于春霞 傅力

天津醫(yī)科大學生理學與病理生理學系（天津300070）

1 腸道屏障的結構及功能

腸道是人體水分和營養(yǎng)物質吸收的最大組織器官，其內表面約為400 m2的腸道屏障為機體免受外環(huán)境中有害物質和病原菌入侵提供了有效保障[1]。腸道內寄居有大量微生物，正是由于腸道內復雜的屏障系統(tǒng)（物理屏障及免疫屏障），使得腸腔內菌群與菌群之間、菌群與宿主之間得以和諧共生[2]。腸道屏障主要由黏液層、上皮細胞層及血管內皮層構成。腸免疫細胞、炎癥因子、抗菌肽及腸腔消化液也在維持腸道屏障功能中發(fā)揮了重要作用[3]。黏液層是腸道菌群定植生存的主要部位，其內富含的大量蛋白寡糖鏈可作為能源物質為腸道菌提供能量，同時腸道菌對黏液蛋白的降解也進一步促進了腸上皮細胞黏蛋白的合成和分泌[4]。而剖宮所得的無菌動物由于缺乏腸道菌群，其腸腔內黏液的產生和降解不均衡，盲腸可因腸腔內黏液蓄積及水分滯留而腫大[5]。上皮細胞層是腸道物理屏障的核心，其表面分布的緊密結合蛋白在調控腸道對水及小分子物質的吸收、轉運及維持腸壁滲透性方面發(fā)揮了重要作用[6]。緊密結合蛋白的核心成分是跨膜蛋白，主要包括Occludin、連接粘附分子和Claudin蛋白家族。而Zonula Occludens 1（ZO-1）作為細胞間緊密結合蛋白，可將細胞骨架與跨膜緊密結合蛋白相連接。因此，腸道緊密結合蛋白的表達和分布異常均可明顯影響腸屏障功能[7]。緊密結合蛋白表達水平降低，提示機體腸道屏障功能受損，腸道滲透性增加，造成“腸漏”[8]。動物實驗表明，腸道滲透性增大可使腸腔內電解質、腸道致病菌及其代謝產物異位至循環(huán)血液、肝臟及脂肪組織的比率增加，誘導機體產生局部或全身慢性炎癥反應[1]。此外，研究發(fā)現，幼鼠腸道屏障功能受損，可明顯增加其罹患嚴重免疫缺陷病的發(fā)病風險[9]。提示維持腸道屏障功能的完整性在防治多種疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

2 菌群穩(wěn)態(tài)與腸道屏障功能的關系

研究發(fā)現，腸道菌群作為機體最大的共生體可參與宿主多項生理功能的調節(jié)，包括對食物的消化吸收、神經營養(yǎng)作用、促進維生素和激素的合成及抑制腸道病原菌定植等[1]。同時，腸道屏障可依據菌群組分變化，通過免疫調節(jié)系統(tǒng)快速識別并適應腸道菌群變化，有效避免由腸道菌群紊亂所致的炎癥反應的發(fā)生[10]。而當腸道屏障的適應調節(jié)能力無法維持菌群與宿主之間的協(xié)調穩(wěn)態(tài)時，機體健康即受到顯著影響。因此，菌群失衡是影響腸道屏障功能的重要因素之一。Ploger等觀察炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD）患者的腸道菌群發(fā)現，與健康成年人相比，患者腸道內黏附侵襲性大腸桿菌比例顯著增加，而腸道產丁酸菌比例顯著下降[11]。丁酸是維持并促進腸道緊密結合蛋白穩(wěn)定及表達的無機小分子[1]，腸道產丁酸菌比例的降低大大增加了患者發(fā)生“腸漏”的風險。電鏡觀察發(fā)現，患者腸上皮細胞存在不同程度的皺縮、細胞間隙增大、炎性細胞浸潤及腸道滲透性增加等病理特征。且上皮細胞結構變異及肥大細胞活化程度與患者腹痛、腹瀉癥狀呈顯著正相關[12]。而患者在服用益生菌干預1 周后，其腸道滲透性及胃腸道癥狀均明顯改善[11]。除消化道疾病外，研究發(fā)現，腸道屏障功能變化同樣能夠影響機體糖、脂代謝穩(wěn)態(tài)[13]。腸道滲透性增加使腸腔內脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）及腸道致病菌有機會進入循環(huán)血，高內毒素血癥可促進機體釋放大量炎性因子，誘導機體產生局部或全身慢性低炎癥反應[14]。LPS作為革蘭氏陰性菌外膜的糖脂，菌群組分的變化可直接影響腸腔內LPS含量。動物實驗發(fā)現，給予正常飲食小鼠連續(xù)灌胃LPS 4周后，小鼠血清炎癥因子水平較對照組明顯增加，且出現胰島素抵抗及脂肪肝等類似肥胖小鼠的代謝表型[15]。在離體實驗中，使用LPS干預腸上皮細胞12小時后，細胞滲透性明顯增加，且occludin 和ZO-1 兩種緊密結合蛋白的mRNA表達水平顯著降低[16]。有證據表明，LPS與高表達于腸道的Toll 樣受體4 （toll-like receptor 4，TLR4）的結合是影響腸道緊密結合蛋白表達的重要因素之一。Spruss等對TLRs全基因敲除小鼠進行長期高糖飲食干預，其糖、脂代謝指標較對照組無明顯差異，提示TLRs 及LPS水平變化是菌群結構影響腸道屏障功能的重要因素[17]。類似的研究發(fā)現，ob/ob及db/db小鼠與野生鼠相比，即便在相同飲食干預下，其腸道菌群組分與對照組相比仍存在明顯差異，且小鼠腸道滲透性及血清LPS 含量較對照組小鼠明顯增加[18]。以灌胃方式給予小鼠抗生素或益生菌后，小鼠腸道緊密結合蛋白基因和蛋白表達水平、血清炎癥反應及代謝綜合征均得到顯著改善[19]。這些研究結果提示腸道菌群穩(wěn)態(tài)與腸道屏障功能間存在密切聯(lián)系，菌群穩(wěn)態(tài)和腸道屏障功能的完整性是維持機體健康的重要保障。

3 運動對菌群穩(wěn)態(tài)及腸道屏障功能的影響

腸道菌群穩(wěn)態(tài)是影響腸道屏障功能的主要因素之一[20]。運動作為預防和治療多種慢病的重要手段，對腸道菌群穩(wěn)態(tài)同樣具有顯著作用。多項研究表明，長期有氧運動可顯著增加腸道菌群豐度，優(yōu)化菌群結構，提高腸道益生菌比例[21]。Clark 等發(fā)現，長期運動訓練可顯著增加橄欖球運動員腸腔中Akkermansia 菌屬的比例[22]。Akkermansia菌可通過促進腸道緊密結合蛋白的表達、增加腸道抗炎Treg細胞數量、增厚腸道黏液層改善腸道屏障功能[23]。動物實驗發(fā)現，長期跑臺或跑輪訓練均可顯著增加小鼠和大鼠腸道中雙歧桿菌和乳酸菌比例，二者在降低血清LPS含量，促進腸道緊密結合蛋白表達，改善腸道屏障功能中發(fā)揮重要作用[24-25]。此外，有研究表明，長期有氧運動可顯著增加機體腸道產丁酸菌比例（Lachnospiraceae 及Faecalibacterium菌門等）[26]。丁酸作為腸道菌群發(fā)酵纖維素類物質產生的無機小分子，丁酸在調節(jié)腸黏膜細胞增殖、分化，促進腸道緊密結合蛋白基因轉錄調控過程中發(fā)揮重要作用[27]。因此，腸道丁酸的含量增加可能是運動調節(jié)菌群結構、改善腸道屏障功能的另一重要因素。

除菌群因素外，有證據表明，運動對腸道屏障功能的影響亦受運動形式及運動強度的影響[28]。長時間耐力運動及高強度運動均可導致腸道屏障功能受損，其中機制可能與機體血液重新分布有關。運動過程中，血液主要集中于心臟和骨骼肌，腸道短時間出現缺血、缺氧等癥狀，且隨著運動強度加大，持續(xù)時間延長，機體血液重新分布現象越明顯。而腸系膜缺血、缺氧及缺血再灌注所致的腸道pH 值降低是誘導腸道發(fā)生氧化應激及代謝異常的主要原因。高強度運動所致的過量氮、氧化物的產生加劇了腸道生物分子的氧化損傷，導致腸道緊密結合蛋白及腸上皮細胞的結構和功能受損，造成“腸漏”[29]。此外，劇烈運動過程中，體內核心溫度持續(xù)性增加，而長時間體溫過熱（>40℃）亦可造成腸上皮細胞受損，導致細胞脫落、腸絨毛收縮、水腫或出血等[26]。動物實驗發(fā)現，賽狗比賽中，持續(xù)的劇烈運動可造成狗腸道滲透性增加，并伴有胃粘膜潰瘍和糜爛現象的發(fā)生（賽前潰瘍面積0%，賽后61%）[30]。人體試驗中，臨床常用尿液中乳果糖/鼠李糖（lactulose/rhamnose，L/R）的比值作為機體腸滲透性變化的指標[31]。Pals 等分別對比了在40%、60%、80% 最大攝氧量強度下進行單次跑臺訓練的健康受試者訓練1小時后尿液中L/R的比值，結果發(fā)現，僅在80% 最大攝氧量強度下運動，受試者腸道滲透性才明顯增加[32]，提示運動強度是影響腸道屏障功能變化的重要因素?？紤]到腸道屏障對不同運動強度的適應性不同，“運動破壞腸道屏障功能”的結論似乎與之相悖。近些年來，有研究表明，長期（數周或數月）有氧運動可增強機體對運動的適應能力，腸道屏障功能可在長期運動干預下得到明顯改善[28]。動物實驗發(fā)現，12 周高脂飲食可導致小鼠腸絨毛基底部明顯增寬，其機制可能與腸道炎性細胞浸潤及脂肪細胞增多有關，而高脂飲食結合跑輪運動組小鼠腸絨毛形態(tài)及腸道炎癥細胞浸潤比例明顯改善[33]。Kang 等的研究也表明，長期跑輪運動干預可顯著增加小鼠腸道淋巴細胞中抗氧化酶、抗炎因子及抗凋亡蛋白的表達，血清炎癥因子水平降低。提示長期有氧運動在維持腸絨毛形態(tài)、改善腸道免疫反應方面發(fā)揮積極作用[34]。此外，人體試驗發(fā)現，胰島素抵抗患者在進行適度有氧運動訓練（40～60 分鐘，60% 最大攝氧量強度自行車運動）2 周后，其血清中LPS 及TNF-α水平明顯降低[35]。與此相似，2型糖尿病患者在進行每周90 分鐘、持續(xù)6 個月的混合運動訓練（有氧運動+抗阻運動+自主運動）干預下，其腸道滲透性得到明顯改善[36]。有研究指出，長期有氧運動對機體腸道屏障功能的積極影響與機體腸道菌群結構的改善，血清炎癥水平的降低及腸道ROS水平耐受等因素有關[28]。但由于目前相關研究較少，相關動物模型及其潛在機制還需進一步驗證。

4 結論及展望

研究表明，多種腸內及腸外疾病的發(fā)生發(fā)展均與腸道屏障功能受損、腸滲透性增加有關。腸道菌群與腸上皮細胞間的相互作用是影響腸道屏障功能的核心，有氧運動干預可有效改善小鼠腸道屏障功能及能量代謝穩(wěn)態(tài)。運動作為防治多種慢病的有效干預手段，同樣也是調節(jié)腸道菌群、改善腸道菌群結構的重要因素之一，然而不同運動形式及運動強度對腸道屏障功能影響的顯著差異，其中機制尚不完全明確。深入探究運動干預對腸道屏障功能的影響可為運動療法改善機體能量代謝的臨床應用提供新的理論依據。