第四章肠道粘膜屏障与炎症性肠病

2021年1月25日发(作者：茅汝元)
第四章

肠道粘膜屏障与炎症性肠病


肠道是机体内最大 的细菌贮存库，而健康人的肠道可以防止肠腔内的细菌和毒素穿过黏
膜进入血液循环和其它的组织器官。 这一功能有赖于肠黏膜上皮特殊的结构及其防御机制
—
—
肠黏膜屏障。目前普遍认为， 肠道不仅仅是个消化和吸收的器官，同时也是人体内最大的
免疫器官。



肠道粘膜屏障的组成



肠粘膜屏障不仅可以防止病原微生物及有 害物质进入肠壁和组织内，还可以避免体内的
生物大分子物质漏入肠腔。广义上的肠粘膜屏障包括：机械 屏障、化学屏障、微生物屏障及
免疫屏障
[1]
。



1.
机械屏障



肠粘膜组织即为肠道的机械屏障。粘膜 上皮细胞及其细胞间的各种连接结构是肠道抵御
外环境中有害物质或病原体入侵粘膜组织的关键，是维持 肠上皮的选择通透性及其屏障功能
的结构基础。



上皮细胞本身 具有多种机理防护自身免受攻击因子的损害。正常情况下，肠粘膜上皮细
胞的修复更新极快，不需要上皮 细胞本身的分裂，而主要是由存在于肠绒毛隐窝处的幼稚细
胞增殖和移行来完成的。肠粘膜上皮不断地衰 老、脱落，位于粘液腺颈细胞区的细胞开始向
绒毛的顶端移行，伸长并覆盖粘膜基质，直到粘膜上皮完全 修复。这种修复过程中，肠粘膜
突出区域的暂时缺失，可能是细菌移位的突破口。如果局部缺血、直接或 间接的损伤将使正
常的肠粘膜修复难以完成，从而造成粘膜的萎缩，甚至形成溃疡。病原菌入侵的机率也 随之
大大提升
[2]
。



肠上皮细胞之间的连 接具有多样性，相邻的肠上皮细胞通过桥粒连接、缝隙连接及紧密
连接形成完整的单层上皮。其中发挥关 键作用的是位于上皮细胞顶侧的紧密连接。紧密连接
的结构呈一狭长的带状，相邻的细胞相互包裹形成一 系列
“
拉链样
”
结构的吻合点
[3]
。多
种蛋白质 如桥粒蛋白、钙粘着蛋白、闭锁蛋白（
occludin
）等将吻合点连接起来，使相邻
细胞呈咬合状态，从而将细胞顶部与基侧膜分开，并且对一些离子和大分子物质起选择性通
透作用。< br>


适当的血流灌注是所有重要细胞功能的先决条件，肠道屏障的完整性也有 赖于足够的粘
膜灌注。适当的血供提供了营养物质和氧，细胞利用这些营养物质和氧，产生
AT P
用于各
种细胞功能，并维持粘膜下正常的酸碱环境的稳定。而某些疾病如蛋白丢失性肠病，即 是因
为肠壁小淋巴管阻塞使肠道间质压力升高，富含蛋白质的间质液无法进入循环，引起间质液
渗漏。



由此可见，粘膜下血液和淋巴循环及其流体力学模式对肠粘膜屏 障功能的维持也有重要
作用。



2.
化学屏障



肠上皮细胞分泌的粘液形成一种弹性凝胶层被覆在粘膜表面，组成一道肠道细菌不 能自
由逾越的化学屏障。粘液层中主要功能成分是由杯状细胞分泌的糖蛋白。



肠道分泌的粘液可以通过以下
4
种方式保护上皮细胞：
①
形成水溶性粘液层，作为生
理屏障将上皮细胞与管腔内复杂的环境隔开；
②
一部分粘液 中的碳水化合物可以粘附于细
菌表面，阻止其与上皮细胞的接触；
③
粘液中存在直接杀 伤微生物或抗病毒活性物质，如
分泌型免疫球蛋白、补体成分（
C3
、
C4< br>和
B
因子）、杯状细胞向肠腔内分泌各种抗微生物
物质（溶菌酶、分泌型磷脂酶
A2
、
α
-
防御素等）、上皮细胞分泌的能有效抑制细菌生长的杀菌肽和阻止细菌与上皮细胞粘附的乳铁蛋白等；
④
在一定时间内粘液随管壁平滑肌的运< br>动而排出体外，同时排除细菌等有害物质
[4]
。肠粘膜上皮细胞分泌的粘液中还含有碳 酸氢
根离子，使粘液层呈弱碱性，形成粘液层的
pH
梯度，控制
H+
的逆向弥散，有效阻止胃酸
及胃蛋白酶对肠上皮的侵蚀。同时，一些适于酸性环境的病原菌在碱性环境中 也会失去活
力，如幽门螺杆菌在十二指肠降部以下便难以生存，失去致病能力。肠道还可以分泌各种不< br>同的溶菌酶、蛋白分解酶及存在于肠道中的胆汁，都具有一定的杀菌和溶菌作用，由此构成
消化道 的防御屏障。



3.
微生物屏障正常机体的肠道内栖居着大量细 菌。据统计，人体内微生物总量中约有
78.67%
分布在肠道，种类至少在
400< br>种以上，占粪便湿重的
20%
～
30%[5]
。其中绝大部
分 是厌氧菌，是需氧菌（包括兼性菌在内）数量的
1000
倍左右。这些微生物通常对人体无害，而且是有益的，为人类生存所必需，这就是所谓的正常肠道菌群。


正常情况下，正常菌群之间相互依存、相互制约，保持着相当稳定的比例关系，对机体
和外来微生物 也产生各种作用，组成了肠道的微生态系统。正常肠道内固有微生物菌群的大
量存在非但无害且对机体有 利，这是由于在长期进化过程中正常菌群与宿主形成了共生关
系，达成了微生态平衡。它们与肠道粘膜或 结合，或粘附，或嵌合，形成有一定规律的膜菌
群，构成了肠道的微生物屏障。在此情况下，肠道菌群的 定植性、繁殖性和排它性作用使外
籍菌无法在肠道定植和优势繁殖并向肠外移位，因而被称之为
“
定植抗力
”
（
Colonization



resistance
）
[5
，
6]
。



肠道微生物生态学性质具有很大的代谢和生理性差异，一般可分为三种不同的环境。近
端小肠内的微生物密度低，主要为兼性（需氧）菌丛，而远端小肠和结肠内粘膜表面则主要
是厌氧菌。 厌氧菌在肠道内数量最多，它们对潜在性致病的兼性菌和需氧菌的定植抗力对维
持肠道的微生态平衡起着 重要作用，既能抑制其他细菌的优势繁殖，又能阻止其粘附于肠上
皮细胞。在粘液层中，厌氧菌产生的糖 苷酶能够将糖类的残基与粘液层中粘蛋白牢固地结合
在一起。厌氧菌产生的蛋白酶通过降解粘液层中的肽 类物质，为肠道细菌提供合适的氮源
[4]
。



Ber g
等
[7]
将普通无特殊致病菌动物盲肠中完整菌群接种到无菌动物的肠道中，一周< br>后，在无菌动物的肠系膜淋巴结中依次分别培养到大肠杆菌、乳酸杆菌、肠球菌、肺炎克雷
伯杆菌 和变形杆菌。而对照的无特殊致病菌动物的肠道中也接种了相同的菌群，一周后，肠
系膜淋巴结的培养是 阴性的；同时无菌动物的肠道中菌量比对照组的无特殊致病菌动物高出
1000
倍。原因是无菌 动物的肠道中缺乏具有抗定植作用的正常菌群。



4.
免疫屏障



肠道除了机械屏障、化学屏障和微生物 屏障三种非特异性防御功能之外，最重要的屏障
功能就是肠道的特异性免疫。肠道是人体内最大的免疫器 官，是全身免疫系统的一个重要部
分。



肠粘膜相关的淋巴组织 较身体其他组织含有更多的免疫细胞（包括
B
细胞、
T
细胞、
浆细胞 、单核
/
巨噬细胞等）。肠道相关淋巴网状内皮组织（
GALT
）是体内最丰 富的淋巴
样组织，其中浆细胞的含量高达
1010/m2
，是肠粘膜抗感染免疫性防御 系统的主要组成部
分。



具有免疫作用的组织由消化道淋巴组织 各种辅佐细胞和粘膜上皮细胞共同组成。肠壁相
关免疫组织和细胞大致可分为两个部分：一是在粘膜上皮 内及粘膜固有层内的免疫组织，即
肠道免疫的效应部位，其主要免疫细胞包括粘膜上皮细胞，上皮内淋巴 细胞和固有层的浆细
胞；另一部分在肠壁内，主要由粘膜上皮下的集合淋巴小结（
peyer‘ s



patches
）、孤立的淋巴小结和阑尾壁内淋巴滤泡群 组成，三者有相同结构和功能，
是肠道免疫的诱导部位
[8]
。



肠道
GALT
与中枢和外周淋巴器官不同，其中的淋巴细胞起源、表型、分 泌物都不同。
首先在粘膜部位的免疫球蛋白是分泌型
IgA
（
SIgA
）。另外，肠道有些特殊类型的
T
细胞
如
αβTCR+CD4
-C D8-
在中枢和外周淋巴结内是不会出现的。



肠粘膜通过3
种有效的免疫机理参与其免疫防护：（
1
）分泌型抗体；（
2
）抗原特异
的细胞介导的细胞毒性作用；（
3
）位于上皮层和粘膜下层的调节性细胞， 通过分泌调节性
因子参与粘膜的免疫防护作用
[2]
。



具体的作用机理是位于粘膜诱导部位的
M
细胞摄取抗原，传递给巨噬细胞、树突状细< br>胞、
B
细胞、肥大细胞，这些细胞对抗原进行加工和处理或由上皮细胞提呈
B< br>或
T
细胞
[9]
。粘膜摄入抗原后可能诱发主动的免疫反应，也可能导 致耐受的发生。多数情况下是诱
导耐受。主动的免疫反应有两类，它们可单独或同时诱发：一是抗体形成 （
SIgA
），二是
细胞介导的免疫反应。



SIgA
是机体内分泌量最大的免疫球蛋白，成人肠道平均每天约分泌
3g
，是其他抗 体
总量的
10
倍。
SIgA
在肠粘膜表面的主要保护功能包括抑制肠 道中细菌吸附到肠粘膜上皮
细胞表面并阻止其在肠粘膜表面定植，中和肠道中的毒素和抑制抗原的吸收。 实验证实，
SIgA
对肠道革兰阴性杆菌具有特殊的亲和力，人和啮齿动物肠道中
60 %
～
80%
的革兰阴性
杆菌被
SIgA
包裹，被包裹的细菌 向上皮细胞表面特异性受体移动及结合的能力均被抑制，
从而保证了肠道的屏障功能。
[10]



另外，由肠腔来的抗原经过提呈细胞的输送，在通过淋巴滤泡的有关上 皮之后，与粘膜
固有层中的淋巴细胞、浆细胞和巨噬细胞接触，激活成熟的
T
细胞、< br>B
细胞、浆细胞和巨
噬细胞，并在此实施细胞介导的免疫过程，发挥吞噬作用和消除有害 抗原的作用。同时，还
包括分泌白细胞介素、
INF-
γ
和
TNF-
α
等，并产生
IgA
。



通过上述机 理，肠道的免疫屏障起着保护粘膜，防止有害微生物的定植，防止粘膜上皮
摄入来源于食物或共生菌群等 外源性未消化蛋白抗原的作用。一旦这些抗原进入体内，肠粘
膜免疫相关组织还可以防止有害的免疫反应 进一步发展。



肠道粘膜屏障损伤的原因及机制



大量的临床和实验研究发现，多种因素都能削弱或破坏肠道屏障功能。这些因素包括：
严重创伤、热烧伤、出血性休克、肠缺血、肠梗阻、胆道梗阻、腹腔炎症、急性胰腺炎、蛋
白质营养不 良、长期应用广谱抗生素或免疫抑制剂、电离辐射等。这些因素可归为两大方
面：一是肠粘膜组织结构和 通透性损伤；二是肠粘膜支持能力的下降。



1.
肠道粘膜屏障损伤的原因



1.1
肠粘膜组织结构和通透性损伤



在创伤、烧伤和 重度感染等应激状态下，经各种细胞因子和激素的作用，高代谢的持续
发展，机体组织血流分布改变，使 肠粘膜组织处于低灌注和低血氧状态。当组织在缺血缺氧
等病理性情况下，体内的黄嘌呤氧化酶系统启动 ，大量的黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化
酶，并催化组织中因缺氧不能进一步代谢分解的次黄嘌呤，产生 大量的氧自由基。自由基通
过与蛋白质和酶发生过氧化反应，破坏其结构，令蛋白质的生物活性丧失，导 致细胞的代谢
紊乱、功能丧失。



一些放疗、化疗、损伤粘膜的 药物、导致粘膜溃疡的疾病如炎症性肠病等均可损害肠粘
膜结构及其通透性。这种损伤和程度可从粘膜血 管通透性增加、粘膜上皮水肿、粘膜上皮通
透性增加开始，进一步发展为上皮从绒毛脱落，直致粘膜全层 脱落和粘膜下层断裂不等。



1.2
肠粘膜支持能力下降



肠粘膜支持系统，主要包 括肠道细菌生态平衡、合适的营养摄入和健全的免疫系统。这
些因素失常本身虽不至于影响肠粘膜连续性 的完整，但易导致肠粘膜受损，使其更新、修复
能力下降。



长 期禁食或长期接受肠外营养，使肠道长期处于无负荷状态，粘膜缺少食物和消化道激
素的刺激，可使肠绒 毛萎缩，肠粘膜变薄，并使粘膜更新和修复能力下降；同时，胆汁、粘
多糖和蛋白分解酶分泌的减少，进 一步削弱肠粘膜的化学屏障，肠液化学杀菌能力减弱，可
促使肠道致病菌的繁殖。



广谱抗生素的广泛使用造成在肠道的正常菌群失调，部分条件致病菌过度繁殖，造成肠
道微生物屏障的破坏
[11]
。



2.
肠道粘膜屏障损伤的机制



2.1
缺氧、缺血



机体在正常情况下，循环血流的< br>30%
流经胃肠道。当机体遭受严重创伤或休克时，机
体为了保护心、脑等重要器官，使 全身血液重新分配，胃肠道血流明显减少。若全身血流量
减少
10%
，可致胃肠道血流 减少
40%[12]
。机体的缺血缺氧可以使肠粘膜上皮水肿，上皮
细胞膜及细胞间连 接断裂，细胞坏死，上皮从绒毛顶端开始脱落甚至黏膜全层脱落而形成溃
疡，导致肠通透性增加。对烧伤 后大鼠肠粘膜结构功能改变的研究发现，在伤后
12
小时用
光镜可以观察到肠粘膜绒毛 固有层裸露并坏死，电镜观察到微绒毛断裂和缺损，上皮细胞间
连接分离，出现裂隙，肠壁对分子量680
～
68000
的物质的通透性明显升高
[13]
。



Lambert
等
[14]
发现失血性休克可造成 肠粘膜上皮细胞间联结开放，使肠壁对辣根过
氧化物酶的通透性增高。
Suh
等
[15]
观察到阻断肠系膜上动脉
1
小时后肠粘膜绒毛顶端水
肿和破坏，继 之出现肠壁的水肿和出血；缺血
3
小时后粘膜上皮脱落，并有明显的炎性细
胞浸润；缺 血
6
小时后粘膜上皮大部分坏死脱落，肠壁各层广泛出血。



2.2
再灌注损伤与氧自由基



当缺血的组织恢复血液 灌注后，部分组织细胞的代谢障碍、结构破坏反而变得更加严
重，此种现象为缺血再灌注损伤。而肠道的 缺血再灌注损伤是肠屏障功能发生障碍的重要机
制。导致缺血再灌注损伤的原因是大量的氧自由基的生成 。



氧自由基具有极强的细胞毒性，主要是由于氧自由基的高度活性，令 其可以与机体几乎
所有组织（包括肠上皮细胞）发生反应，使构成生物膜多不饱和脂肪酸过氧化，影响生 物膜
的液态性、流动性及通透性。细胞膜的通透性增加，大量的阳离子涌入细胞内，如
Ca2+
激
活特异的钙依赖的磷脂酶和蛋白酶，引起细胞损伤和死亡；线粒体膜通透性增加，可以影响< br>能量代谢；溶酶体膜通透性增加，使溶酶体破裂，大量的溶酶体酶的释放导致细胞损伤或溶
解。< br>


2.3
炎症介质及细胞因子


< br>细胞因子和炎性介质在肠粘膜损伤中以及相互间的作用尚不十分清楚。在严重创伤感染
或休克时， 炎症介质大量产生并相互作用，形成网络，且不断循环促进，形成
“
瀑布样
”
反
应，造成肠粘膜损伤并加重甚至衰竭。参与的炎症介质包括内毒素、血小板活化因子
（
PAF
）、肿瘤坏死因子（
TNF
）、白介素（
IL
）、
γ
干扰素（
TFN-
γ
）、一氧化氮（
NO
）
等。



内毒素可使肠粘膜上皮细胞超微结构（微绒毛和细胞终末网）发生病理 改变，通过损伤
细胞内支架系统而破坏细胞间紧密连接，也可使
TNF
、
PA F
增高以及促进中性多核粒细胞
（
PMN
）粘附而发挥作用。
PAF
在肠粘膜损害中发挥重要作用，它可引起血小板聚集，
PMN
脱颗粒和呼吸爆发，同时 可导致低血压，血管通透性增加，胃肠粘膜损伤
[16]
。


< br>大鼠烫伤后，血和肠细胞
PAF
水平均显着升高，肠道通透性增加，与内毒素水平呈正< br>相关。



给予
PAF
拮抗剂治疗能明显降低血浆 内毒素水平以及肠粘膜通透性。
TNF-
α
能激活中
性粒细胞，促使中性粒细 胞释放大量的活性氧与弹性蛋白酶，对血管内皮细胞和器官组织细
胞产生损害作用。
TNF-< br>α
还可诱导大量
NO
生成，造成持续低血压，微循环淤血，加重组
织的 缺血缺氧。
TNF-
α
还能通过交感
-
肾上腺髓质系统使儿茶酚胺分 泌增加，而后者可以促
进多种血管活性物质释放，如白三烯、
PAF
、
TXA 2
等，加剧了微循环障碍
[17]
。



研究表 明
TNF-
α
对肠粘膜有直接损伤作用，给狗注入
TNF-
α
后小肠血流量明显下
降，肠粘膜下血管有灶性栓塞，粘膜糜烂，血培养阳性率增加。



在正常情况下，来自血管内皮的
NO
可调节肠粘膜灌注，不同肠 上皮细胞也可以是
NO
的来源。



在炎症期，由于可诱 导的一氧化氮合酶活化，导致
NO
生成增多，而高浓度的
NO
可破
坏 细胞内支架、抑制
ATP
生成，使细胞间紧密连接变得松弛而致肠粘膜处于高通透状态
[14]
。
IL-1
、
IL-6
、
IL-13
、< br>IL-4
和
IFN-
γ
同样是通过破坏细胞间紧密连接引起肠粘
膜损伤的。



2.4
细胞凋亡



正常条件下，小肠粘膜每日每根绒毛约有
900
～
1200
个细胞发 生凋亡，以维护肠道粘
膜屏障的生理功能，保证衰老细胞的不断更新。肠上皮细胞凋亡与隐窝未分化细胞 的增殖是
相辅相承的，这种稳态对维持肠道正常形态和功能起着非常重要的作用。肠上皮细胞凋亡的增加是导致肠屏障功能减弱的机制之一。



许多研究表明炎症细胞因 子，如肿瘤坏死因子、白细胞介素
-
1β
（
IL-
1β
）均 可增加体
内外细胞的凋亡。生长因子的缺乏、细菌毒素、氧自由基及肠道缺血
-
再灌注 损伤大鼠均可
发现肠粘膜上皮细胞凋亡增加，同时伴有肠粘膜屏障功能障碍，且通透性与凋亡指数呈正相
关
[18]



。


Ikeda
等
[19]
对缺血
-
再灌注的小鼠进行了观察，发现 肠黏膜损伤的早期形态学改变
为小肠绒毛上皮分离。通过组织学观察分离的上皮细胞
80%具有凋亡细胞的形态学特征。
采用免疫组化和琼脂凝胶电泳分析
DNA
片段也证实 了细胞凋亡的存在，提示细胞凋亡是小
肠缺血再灌注损伤时肠黏膜上皮细胞死亡但是有别于坏死的另一主 要形式。



2.5
营养障碍


< br>长期的全胃肠外营养（
TPN
）极易造成蛋白质营养不良。大量的临床和实验研究发现，
蛋白质营养不良是破坏肠道屏障功能的重要因素之一。



营养不 良可引起肠上皮细胞
DNA
含量减少、蛋白质合成及细胞增生减弱，肠腔内黏液
层厚度 变薄，导致黏膜萎缩及继发性肠黏膜酶活性下降。陈洁等
[20]
在实验中发现，给予
TPN1
周后的幼犬，与普通犬食组相比，肠的长度、质量和肠壁各层厚度都显着减少，肠粘
膜 上皮细胞分裂指数下降
40%
。



实验研究发现，与经 肠饮食组相比，经
TPN
营养
2
周的大鼠，其回肠末端粘膜绒毛高
度 降低，上皮细胞增殖缓慢，粘膜二胺氧化酶活性显着降低
[21]
。从而提示蛋白质营养不良可破坏肠结构和功能的完整性，造成肠粘膜萎缩，提高肠粘膜对肠道中大分子物质的通透
性，从而 直接促进肠道细菌和内毒素侵入体内。



营养不良降低了机体蛋白质水平 ，使免疫球蛋白水平下降，淋巴细胞减少，影响了肠道
及全身的免疫功能。其削弱机体抗感染防御功能的 作用是多方面的：首先，蛋白质营养不良
通过干扰肠粘膜中
B
淋巴细胞分化，使
SIgA
分泌减少，从而降低肠粘膜抗感染的免疫功
能。有研究发现，蛋白质营养不良大鼠肠 道集合淋巴组织的质量以及其中细胞数量均显着下
降，
B
淋巴细胞数量下降
4
～
7
倍，
IgA
同型
B
细胞消失。这证明蛋白质营 养不良使集合淋
巴组织中
B
淋巴细胞分化受阻，
SIgA
浆细胞成熟 障碍，从而造成肠粘膜
SIgA
的分泌量降
低。其次，蛋白质营养不良还可以破坏肠粘 膜中杯状细胞功能，使粘液和粘蛋白生成减少，
从而降低肠粘膜非特异性屏障功能
[22]。此外，蛋白质营养不良可以使
T
淋巴细胞和经过
再循环的淋巴母细胞在肠粘膜中 的定位过程受到损害，直接抑制机体
T
淋巴细胞免疫功
能，使机体全身抗感染防御功能 处于抑制状态。



另外，长期禁食或
TPN
患者，其肠 粘膜缺少食物和消化道激素刺激，粘膜更新修复能
力降低。同时，胃酸、胆汁、溶菌酶、粘多糖等分泌减 少，肠液化学杀菌能力减弱，都可促
使肠道致病菌大量繁殖，导致肠屏障功能障碍。



2.6
微生态失调



肠道正常微生物在种类 、定植部位和数量
3
个方面维持着空间三维生态平衡。肠内细
菌分布呈明显的纵轴性， 它们具有很强的粘附力，形成能阻止病原微生物过度生长并限制它
们粘附于粘膜的菌膜屏障结构。病理因 素和治疗于扰可引起肠道菌群紊乱，促进细菌移居，
致病菌过度生长。过度生长的肠道细菌可通过细菌蛋 白酶等对肠上皮细胞微绒毛膜蛋白直接
产生破坏作用，或改变肠道上皮细胞的生化反应，使微绒毛受损甚 至消失。此外，过度生长
的细菌还可产生各种毒素或其他代谢产物，抑制肠上皮细胞的蛋白质合成，从而 损伤肠粘膜
屏障。



创伤、饥饿及大量广谱抗生素的应用很容易 引起肠道菌群紊乱，优势繁殖的细菌便有可
能突破粘膜屏障而发生易位。肠道中革兰阴性杆菌的侵入能力 最强，革兰阳性菌次之，而专