摘要

① 腸道共生菌酵解膳食纖維生成短鏈脂肪酸，供給腸道細(xì)胞能量
② 腸道細(xì)胞分泌黏液覆蓋上皮粘膜層，共同構(gòu)成腸粘膜屏障， 黏液中含有的IgA和抗菌肽(antibacterial peptide)共同抵御有害共生菌和病原體入侵
③ 腸道致密共生菌保護(hù)其抵御病原體，而腸蠕動(dòng)和附著性促進(jìn)病原體定殖，腸道菌群組成或生理改變破壞腸粘膜屏障完整性
④ 小腸粘膜屏障因具營養(yǎng)吸收功能，所以粘液層較薄
⑤ 致病菌的入侵策略包括：利用上皮細(xì)胞譜系、分泌酶降解粘液并破壞緊密連接、破壞粘液層和粘液生成。

主要內(nèi)容介紹

共生菌與腸粘膜屏障

共生菌（共生體的概念-Commensal）

• 人類小腸和大腸中寄居著多種多樣的共生細(xì)菌群落，通常被稱為微生物區(qū)系。微生物的密度通常為10^11-10¹²個(gè)每立方米。

腸粘膜屏障

• 宿主抵抗共生細(xì)菌和致病菌的第一道防線就是腸粘膜屏障，該物理屏障包括生物化學(xué)和免疫成分；物理屏障由腸上皮細(xì)胞通過緊密連接(tight junctions),且被上面覆蓋的由宿主分泌的包含兩層的黏液層(mucous layer)保護(hù)。如下圖所示，及簡要介紹粘膜屏障的免疫成分
  

  

  圖一 腸粘膜屏障及腸上皮細(xì)胞種類

• 對該圖的介紹：

1. 大腸內(nèi)寄居著能發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生短鏈脂肪酸的共生菌，短鏈脂肪酸是腸細(xì)胞和杯狀細(xì)胞的重要能量來源
2. 杯狀細(xì)胞通過不斷產(chǎn)生粘液來補(bǔ)充黏液層，從而維持粘膜屏障的正常功能
3. 分泌型的免疫球蛋白A(IgA)和抗菌肽(antimicrobial peptides,AMPs)被分泌到黏液層中作為抵御病原菌和潛在致病的共生菌的入侵
4. 結(jié)腸上皮細(xì)胞包括腸分泌細(xì)胞、叢細(xì)胞、杯型細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和哨兵杯狀細(xì)胞。哨兵杯狀細(xì)胞位于隱窩入口，其作用是減少細(xì)菌侵入隱窩。
5. 當(dāng)收到Toll樣受體的挑戰(zhàn)時(shí)，哨兵杯狀細(xì)胞會(huì)被彈射到腸腔中替代粘液。

• 總結(jié)：腸上皮包含6種具有特定功能的分化的細(xì)胞類型，如腸細(xì)胞、腸內(nèi)分泌細(xì)胞、潘氏細(xì)胞(Paneth cells)、從細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和微體(M)細(xì)胞。作用分別為消化吸收、激素分泌、抗菌肽分泌、味覺-化學(xué)感覺反應(yīng)、粘液產(chǎn)生和抗原采樣(antigen sampling)。還有杯形細(xì)胞，不知道其功能。

粘液的主要成分

• 小腸和結(jié)腸粘液的主要成分為黏蛋白2(MUC2)，其具體單體結(jié)構(gòu)(monomer)和連接方式如下圖
  

  

  圖二 黏蛋白單體結(jié)構(gòu)

• 雖然黏蛋白的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，但是還是會(huì)被一些常見的腸道菌群當(dāng)做營養(yǎng)物質(zhì)來源。而且，有一些腸道致病菌可以分泌相應(yīng)的酶或者具有破壞黏膜屏障的能力來幫助其侵染，促進(jìn)致病菌的定植和成功感染。還有一些腸道致病菌可以利用來源于粘液營養(yǎng)素的信號(hào)和代謝物，但是是由共生菌釋放的。

• 想說明（總結(jié)？）哪些問題
  1. 探討共生菌與腸道粘膜屏障，致病微生物如何通過利用不同上皮細(xì)胞來源或者破壞黏液層建立感染之間的關(guān)系；
  2. 雖然粘膜免疫系統(tǒng)是腸道粘膜屏障的一部分，但是本文主要關(guān)注的就是粘液和上皮細(xì)胞。

腸道粘膜屏障

• 為了促進(jìn)粘膜屏障的持續(xù)健康和彈性，上皮細(xì)胞需要不斷的流出到腸腔，然后由靠近隱窩底部的干細(xì)胞的增殖和分化會(huì)替代舊細(xì)胞的位置，每隔幾天就會(huì)完成一個(gè)完整的更新。
• 同樣的，杯狀細(xì)胞的分泌活性使得覆蓋在上皮細(xì)胞表面的黏液層得到不斷的補(bǔ)充。舉個(gè)栗子，在結(jié)腸部位，膠狀的黏蛋白聚集成一層牢固的內(nèi)黏液層附著在上皮細(xì)胞表面用來抵抗稠密的微生物的定植；然后內(nèi)黏液層表面還有一層更加疏松的黏液層，可能是因?yàn)樗拗骱臀⑸锩傅淖饔脤?dǎo)致的。這層黏液層常常寄居著一些共生菌，但是其生理活性和腸腔內(nèi)的同一菌表現(xiàn)相差有時(shí)候很大。比如研究的較多的多形擬桿菌(Bacteroides thetaiotaomicron)和大腸桿菌(Escherichia coli)，在黏液層和相近的腸腔中相比，具有不同的轉(zhuǎn)錄模式。
• 粘膜層細(xì)菌的定植會(huì)影響粘液的產(chǎn)生和塑造粘膜屏障。惰性擬桿菌和柔嫩梭菌(Faecalibacterium prausnitzill)是大家熟知的能夠通過增加杯狀細(xì)胞的分化和誘導(dǎo)參與黏蛋白糖基化基因表達(dá)來調(diào)控粘液產(chǎn)生的兩種腸道菌
• 哨兵杯狀細(xì)胞(sentinel goblet cells)的發(fā)現(xiàn)，說明杯狀細(xì)胞不僅能夠分泌粘液，還能夠與先天性免疫關(guān)聯(lián)起來，因?yàn)樯诒瓲罴?xì)胞位于結(jié)腸隱窩的入口(見前面圖)處，所以推測其能阻止腸腔細(xì)菌進(jìn)入隱窩。
• 細(xì)菌的短鏈脂肪酸和代謝物能夠誘導(dǎo)無菌小鼠粘液的生物合成。在已知的17種人類或者小鼠黏蛋白中，MUC2的重要性是強(qiáng)調(diào)和研究的最多的，因?yàn)樾∈笕笔?code>Muc2基因后，由于細(xì)菌和腸上皮細(xì)胞接觸的機(jī)會(huì)更多了，會(huì)導(dǎo)致炎癥和結(jié)腸癌的發(fā)生。
• 人類的MUC2是一個(gè)分子量大(5,289個(gè)氨基酸)的，形成了多個(gè)結(jié)構(gòu)域的的多肽鏈，最大的一個(gè)是以PTS(磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng))為核心且主要包括脯氨酸、絲氨酸和蘇氨酸的結(jié)構(gòu)域。MUC2的大部分O-連接的糖基化發(fā)生在Ser和Thr側(cè)鏈，并為粘液提供基本的理化性質(zhì)，例如親水性，使得分泌性黏蛋白糖蛋白保持一種延伸的性狀。如下圖：
  
  

  圖三 黏蛋白聚糖的合成

免疫系統(tǒng)是粘膜屏障關(guān)鍵的一部分

• 因?yàn)槊庖呦到y(tǒng)在粘膜屏障中的關(guān)鍵作用，所以這部分內(nèi)容單獨(dú)拿出來講，主要是根據(jù)下面這個(gè)描述做個(gè)總結(jié)吧
  

  

  圖四 免疫系統(tǒng)為年末屏障的一部分

• 我們的理解

  1. 除了物理和生物化學(xué)方面的粘膜屏障，免疫系統(tǒng)在腸道穩(wěn)態(tài)中作用不可小覷。致病菌和共生菌一旦有靠近或者侵入宿主腸上皮組織的趨勢，就會(huì)被各種各樣的模式識(shí)別受體和抗原呈遞細(xì)胞所感應(yīng),為什么這么說呢，請繼續(xù)往下看；
  2. 可以說結(jié)腸粘液是免疫球蛋白A(Immunoglobulin A, IgA)的倉庫,IgA釋放到腸腔中。那么它是如何發(fā)揮作用的呢？又要舉個(gè)栗子，如果檢測到致病菌存在的話，那么T細(xì)胞就會(huì)產(chǎn)生IgA,IgA會(huì)釋放到腸腔，接下里就是將入侵的微生物包裹和中和掉，比如說腸沙門氏菌亞種 血清型enterica typhimurium；
  3. 最近發(fā)現(xiàn)的一種存在于黏液層中的蛋白——Ly6/PLaur domain containing 8 (LYPD8)(中文意思不知道)，可以與有鞭毛的微生物結(jié)合，如可以抑制Proteus mirabilis（奇異變形桿菌）的運(yùn)動(dòng)，阻止其入侵黏液層；
  4. 抵抗素樣-β(Resistin-like-β, RELMβ)，一種存在于黏液層中的具有殺菌功能的蛋白質(zhì)，已知其可以限制變形菌門進(jìn)入到黏液層；
  5. 微生物激活的Toll-like receptors (TLRs,Toll樣受體)，可以引起髓樣分化初級(jí)反應(yīng)蛋白(myeloid differentiation primary response protein 88, MYD88),MYD88導(dǎo)致核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(nuclear factor-κB,核因子κB)激活。MYD88缺陷的小鼠表現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)腸炎高易感性。我們知道，TLR受體缺失對宿主有很大的影響。例如，TLR4缺陷的小鼠表現(xiàn)出炎癥細(xì)胞減少，且易受右旋糖酐硫酸鈉誘導(dǎo)成結(jié)腸炎；
  6. 小鼠的共生菌Helicobacter hepaticus(肝螺桿菌)與TLR2互作通過免疫調(diào)節(jié)多糖誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL10，可以引起依賴于細(xì)胞核分裂素(nuclear mitogen)和壓力激活蛋白激酶(MSK)-cAMP響應(yīng)結(jié)合原件(CREM)(stress- activated protein kinase (MsK)-caMP response element- binding)的抗炎癥反應(yīng)；
  7. 短鏈脂肪酸調(diào)節(jié)腸道屏障功能的諸多方面，包括免疫成分，主要通過上皮細(xì)胞和T細(xì)胞上的G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)。短鏈脂肪酸誘導(dǎo)依賴于GPR43的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞從而保護(hù)小鼠抵抗腸炎，前提是需要GPR43在T細(xì)胞表達(dá)。短鏈脂肪酸中的丁酸激活GPR109a誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞以及產(chǎn)生IL-10的T細(xì)胞發(fā)揮作用。此外，丁酸可以通過提高血漿中IL-10和IL-12的水平來抑制IL-17的水平。絲狀分節(jié)菌可以誘導(dǎo)小鼠腸道中T輔助細(xì)胞17(T helper 17 cell)的發(fā)育，雙歧桿菌產(chǎn)生的乙酸可以通過抑制炎癥反應(yīng)保護(hù)小鼠免受因腸源性感染(enteropathogenic infections)而死亡;
  8. 最近發(fā)現(xiàn)叢細(xì)胞(tuft cells)可以參與減少寄生蟲，比如最近發(fā)下的，叢細(xì)胞可以作用于抵抗巴西日圓線蟲(Nippostrongylus brasiliensis)的2型免疫反應(yīng)的發(fā)育，并且可以引起細(xì)胞因子IL-25的分泌和導(dǎo)致先天性淋巴細(xì)胞(innate lymphoid cells, ILCs)的生成。這些ILCs可以生成IL13，有助于叢細(xì)胞和杯狀細(xì)胞的增生，從而生成更多的粘液驅(qū)逐寄生蟲的侵染

共生微生物(Commensal microorganisms)

• 這一節(jié)我們來重新認(rèn)識(shí)下共生微生物，我們都知道，降解膳食纖維的腸道菌群酶研究的已經(jīng)是如火如荼了，特別是在擬桿菌門下。然而，降解粘液的微生物酶目前研究的倒是不多，我想可能的原因是粘液的分析方法太過于復(fù)雜，而且粘液本身的組成也比較復(fù)雜，不好取樣等等。
• 但是已知可以移除粘液O-連接聚糖的特定糖苷鍵的酶家族最近被報(bào)道了。而且越來越多的研究開始著手鑒定可以降解高甘露糖N-連接聚糖的腸道菌群酶。
• 未來的研究方向應(yīng)該是需要理解人類腸道微生物是如何進(jìn)化到能夠識(shí)別并降解粘液的聚糖物質(zhì)的，以及是如何處理分泌的粘液糖蛋白的生物復(fù)雜性的。
  1. 最近較為實(shí)用的一種鑒定菌株的方法就是將微生物接種到以純凈的O-連接或者N-連接聚糖為唯一碳源的培養(yǎng)條件下，鑒定在該生長條件下活躍的基因以及利用重組蛋白進(jìn)行詳細(xì)的酶學(xué)分析。這種方法促進(jìn)了擬桿菌屬，多個(gè)基因聚合在一起構(gòu)成多糖利用位點(diǎn)(polysaccharide utilization loci, PULs)，成為包含多個(gè)編碼碳水化物酶基因的基因集合
  2. 還新發(fā)現(xiàn)了腸道菌群利用粘液作為營養(yǎng)來源或者在致病菌入侵的時(shí)候遭到降解。最近報(bào)道的一種蛋白酶家族(M60 like proteases; also known as Pfam13402)證明降解粘液糖蛋白主干是依賴于存在特定的聚糖側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上。來自于產(chǎn)氣莢膜梭狀芽胞桿菌(Clostridium perfringens) 的Zinc 金屬蛋白酶(ZmpB)通過識(shí)別α2,6唾液酸化核心1和核心3結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)最佳剪切。很多常見的共生菌可以編碼大量的M60樣蛋白酶，比如Bacteroides caccae，一種參與結(jié)腸黏液層低分子纖維降解的菌，擁有16個(gè)這樣的酶，很多是形成co-regulated PULs。
  3. 另外，一種來自于活潑瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)的分子內(nèi)反式-唾液酸酶(RgNanH)利用一種黏著碳水化合物-結(jié)合元件(adhesive carhydrate-binding module)使細(xì)菌能夠與小鼠和人粘液結(jié)合及以一種只能夠被活波瘤胃球菌代謝的裂解末端唾液酸糖的方式(in a form (2,7-anhydro- Neu5Ac))
  4. 考慮到降解粘液的細(xì)菌能夠?qū)σ赘腥炯膊〉膫€(gè)體造成腸上皮損傷，特別是病原體存在于遺傳易感個(gè)體的情況下，這些酶可以提供抑制類藥物阻止腸道疾病的靶點(diǎn)。而且，腸道微生物降解粘液的增加可以作為IBD的生物標(biāo)記。
  5. 下面展示下腸道菌群參與代謝腸道粘液的通路圖，共兩幅
     
     

     圖五 不同的O-連接的聚糖結(jié)構(gòu)

圖六 擬桿菌三種多糖利用位點(diǎn)

• 最后，一些共生菌已經(jīng)進(jìn)化出了特殊的策略來使他們能夠和宿主相互作用甚至可以生活在腸粘膜屏障內(nèi)。比如說，分解絲狀菌可以直接、親密的與小腸上皮細(xì)胞接觸，還有一些擬桿菌(Bacteroides fragilis,脆弱擬桿菌; Bacteroides thetaiotaomicron 多形擬桿菌)，定植在某些結(jié)腸隱窩中。相應(yīng)的，脆弱擬桿菌在隱窩定植是需要特殊的隱窩定植因子蛋白

小腸中的致病菌

小腸的粘膜屏障和大腸部位結(jié)構(gòu)大不一樣，如小腸的黏液層要比大腸薄很多，是因?yàn)橐龠M(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，和抗原取樣，被分泌的抗菌肽驅(qū)逐上皮細(xì)胞表面的細(xì)菌抵消了。
腸致病菌進(jìn)化出了不同的策略——利用不同的細(xì)胞系獲得進(jìn)入小腸粘膜屏障的機(jī)會(huì)。

1. 腸細(xì)胞和微皺褶細(xì)胞

• 小腸粘膜屏障除了特定化的分泌細(xì)胞(杯狀細(xì)胞，腸分泌細(xì)胞)，還包括特定化的M細(xì)胞，覆蓋在Peyer集合淋巴小結(jié)(Peyer's pathes)上面，如下圖所示：
  

  

  圖七 小腸中的四種分泌細(xì)胞

• 因此M細(xì)胞的主要作用是抗原呈遞和轉(zhuǎn)胞吞作用，但是這些M細(xì)胞和Peyer集合淋巴小結(jié)也能被某些特定的致病菌利用而穿過粘膜屏障。例如：沙門氏菌(S.Typhimurium)可以直接侵入上皮或者樹突細(xì)胞，它首先利用一種依賴于M細(xì)胞的機(jī)制穿過粘膜屏障。致病菌甚至可以通過位于Peyer集合淋巴小結(jié)的樹突細(xì)胞的胞吞作用進(jìn)入到腸上皮下組織，接下來就是系統(tǒng)性傳播(如上圖)。

• 整聯(lián)蛋白(integrins)在M細(xì)胞和其他類型的細(xì)胞表達(dá)，是致病菌入侵的受體。與其它腸細(xì)胞相比，M細(xì)胞表達(dá)的β1-整合素蛋白較高，且是耶爾森氏鼠疫桿菌(Yersinia .spp).假結(jié)核耶爾森（氏）菌(假結(jié)核耶爾森（氏）菌)利用其自身的外膜蛋白——侵襲素(invasin)通過與靶細(xì)胞表面表達(dá)的β1-整聯(lián)蛋白相互作用使其轉(zhuǎn)運(yùn)通過M細(xì)胞到達(dá)Peyer集合淋巴小結(jié)。

• 與此相似，可以通過在β1-整聯(lián)蛋白和侵略的菌之間形成纖連蛋白橋，比如鳥分枝桿菌副結(jié)核亞種(Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis,MAP)

• E-鈣黏連蛋白(E-cadherin, 一種跨膜糖蛋白)和干細(xì)胞生長因子受體(hepatocyte growth factor receptor, MET)是M細(xì)胞表達(dá)的另外兩種蛋白。單核細(xì)胞增多性李斯特氏菌(Listeria monocytogenes)利用其自身的兩種毒力因子——內(nèi)化蛋白A(internalin A，InlA)或者內(nèi)化蛋白B(internali B, InlB)和E-cadherin和MET結(jié)合并侵入腸上皮細(xì)胞，包括M細(xì)胞(如下圖)。

• InlA與E-鈣粘蛋白的對接誘導(dǎo)局部細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白募集，
  激活A(yù)rp2 / 3復(fù)合物使
  單核細(xì)胞增生李斯特菌侵入細(xì)胞，
  利用李斯特菌溶血素O突破其液泡，然后在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)移動(dòng)
  并通過肌動(dòng)蛋白裝配誘導(dǎo)從細(xì)胞傳播到細(xì)胞
  蛋白質(zhì)（ActA）依賴性肌動(dòng)蛋白聚合。
  

  

  圖八 M細(xì)胞和腸細(xì)胞

粘液降解和緊密連接破壞

• 致病菌可以分解能夠降解粘液和破壞緊密連接的酶，破壞宿主組織的穩(wěn)定?；魜y弧菌分泌一種易溶的依賴Zn2 的金屬蛋白酶(metalloproteinase,血細(xì)胞凝集素蛋白酶——haemagglutinin protease, Hap),具有分解粘液素的活性。
• 相反的是，該菌產(chǎn)生的另外一種毒素物質(zhì)，zonula occludens toxin(封閉帶毒素),與細(xì)胞外的緊密連接蛋白，如閉合蛋白和封閉帶蛋白1(zonula occludens 1 protein, ZO1)相互作用，從而破壞腸道上皮細(xì)胞的完整性。
• 與此相似，另一種緊密連接蛋白，occludin（封閉蛋白），由產(chǎn)氣莢膜梭菌產(chǎn)生的腸毒素(enterotoxin)產(chǎn)生破壞。
• 而且這種破壞腸道上皮細(xì)胞粘液和緊密連接的策略不局限于細(xì)菌，一些原生動(dòng)物如腸蘭伯氏鞭毛蟲也能降解和破壞黏液層。而且，這些原生動(dòng)物能夠破壞ZO1來增加腸道的通透性已經(jīng)重組細(xì)胞支架F-肌動(dòng)蛋白絲。
  
  

  圖九 黏液層和緊密連接紊亂

病原體入侵及規(guī)避分泌細(xì)胞的活性

• 盡管杯狀細(xì)胞和潘氏細(xì)胞會(huì)分泌粘液和抗菌肽，但是還是存在能夠進(jìn)化出侵入上皮細(xì)胞機(jī)制的病原體。除了上述的李斯特菌侵染宿主的方式，杯狀細(xì)胞也可以作為病原體侵入的一個(gè)路徑。E-鈣粘蛋白受體在杯狀細(xì)胞表達(dá)，位于緊密連接的下方，如果細(xì)胞排除了粘液，那么就可以從腸腔侵入。
• 單核細(xì)胞增生李斯特菌識(shí)別位于粘液排出杯狀細(xì)胞的尖端絨毛表面的E-鈣粘蛋白，被內(nèi)化和通過粘膜屏障迅速轉(zhuǎn)移，然后通過胞吐作用轉(zhuǎn)移到固有層中
• 另外，鼠傷寒沙門氏菌已經(jīng)進(jìn)化出了可以規(guī)避侵入上皮細(xì)胞期間宿主的防御屏障。這種病原體可以通過改變細(xì)胞表面的陰離子特性來逃避Paneth細(xì)胞分泌的陽離子抗菌肽（CAMPs）（包括防御素）的活性。病原體使用相變來激活將帶正電荷的氨基阿拉伯糖整合到脂質(zhì)A的功能，因此降低了病原體外膜的凈負(fù)電荷。
• 通常認(rèn)為陰離子脂質(zhì)A會(huì)吸引陽離子CAMP，如果減少負(fù)電荷可以抑制該過程。
• 同樣，一些細(xì)菌在其外膜上方具有陰離子多糖膠囊，使AMP到達(dá)脂多糖之前就中和AMP在細(xì)胞表面，雖然這種策略在小腸道病原體中的潛在作用尚不清楚。
• 雖然鼠傷寒沙門氏菌是一種侵入性病原體，但是在一些共生體中發(fā)生了不同的LPS修飾，這些修飾也阻止了AMP的殺滅，強(qiáng)調(diào)了通過病原體和共生者來規(guī)避宿主的防御
  
  

  圖十 杯狀細(xì)胞和潘氏細(xì)胞

大腸中的致病菌

大腸中密集的共生微生物群保護(hù)宿主免受幾種病原體的侵襲（稱為定殖抗性的過程）。例如，最近研究表明定殖梭菌屬的小鼠具有抵抗致死病原體的能力，并且抗生素處理使產(chǎn)生丁酸鹽的細(xì)菌減少會(huì)通過微生物激活過氧化物酶體增殖物激活受體-γ（PPARγ）信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)了腸桿菌的擴(kuò)增。然而，結(jié)腸微生物群組成或生理學(xué)的改變可以也促進(jìn)腸粘膜屏障的缺陷。定殖大腸的腸道病原體使用許多機(jī)制，包括一些依賴于共存的共生微生物的活性，通過侵入粘膜屏障促進(jìn)其定植或持久性。

結(jié)腸粘膜屏障的缺陷促進(jìn)了腸病原體的入侵

• 對遺傳修飾小鼠的研究揭示了宿主腸道粘液防御結(jié)腸病原體的重要性。一項(xiàng)研究使用MUC2缺陷（Muc2-/-）小鼠來證明結(jié)腸粘膜屏障在減緩疾病中的作用。附著和消除（A/E）病原體檸檬酸桿菌屬，揭示缺乏正常粘膜層的小鼠導(dǎo)致疾病進(jìn)程加速甚至發(fā)展為針對這種通常的自限性病原體的致死性結(jié)腸炎
• 還比較了野生型小鼠和Muc2缺陷小鼠驅(qū)逐寄生蟲——鼠鞭蟲(Trichuris muris)所需要的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)比野生型小鼠所要的時(shí)間更長，因?yàn)橐吧托∈蟊瓲罴?xì)胞增生增加了粘液層的厚度有助于驅(qū)逐寄生蟲。
• 進(jìn)一步通過限菌小鼠來考察飲食-微生物互作對粘膜厚度和病原體易感性的影響。當(dāng)小鼠飲食中不含纖維（我們知道，膳食纖維是結(jié)腸微生物的主要營養(yǎng)物質(zhì)的來源）時(shí)，結(jié)腸內(nèi)菌群組成發(fā)生改變以有利于粘液降解細(xì)菌的增殖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)粘液逐漸被消耗（通過卡諾氏固定組織學(xué)切片觀察腸上皮細(xì)胞的形態(tài)），檸檬酸桿菌屬可以更加快速的穿過損壞了的黏液層，引起和Muc2缺陷鼠相同的疾病。
• 因此，宿主的粘膜屏障需要細(xì)胞因子IL-22參與上皮細(xì)胞再生，抗菌肽生成和粘液合成的過程，可以有效的抵御病原體。缺失IL-22的小鼠清除鼠鞭蟲的效率更慢，部分原因可能歸結(jié)于缺乏杯狀細(xì)胞和粘液。IL-22依賴性誘導(dǎo)結(jié)腸小鼠上皮細(xì)胞中AMP再生胰島衍生蛋白3β（REG3β）和REG3γ，增加檸檬酸桿菌感染后存活率。
• IL-22缺陷小鼠加速和致死性結(jié)腸炎的發(fā)生，類似于纖維剝奪和Muc2-/-小鼠中觀察到的現(xiàn)象，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了適當(dāng)?shù)恼衬て琳虾兔庖叻磻?yīng)對減緩由該病原體引起的疾病進(jìn)展的重要性。鼠傷寒沙門氏菌已經(jīng)發(fā)展出使用宿主依賴性IL-22產(chǎn)生的策略，其通過增加宿主脂質(zhì)運(yùn)載蛋白和鈣衛(wèi)蛋白產(chǎn)生來觸發(fā)金屬螯合，從而獲得其優(yōu)勢。 這種病原體可以使用對脂質(zhì)運(yùn)載蛋白中和和高親和力鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有抗性的鐵載體，促進(jìn)其自身的定植，同時(shí)通過這種反應(yīng)抑制競爭共生體。
  
  

  圖十一 mucin遺傳缺陷鼠黏液層發(fā)育不正常

運(yùn)動(dòng)型和附著性促進(jìn)病原體的定植

• 相變鞭毛和菌毛的表達(dá)通過提供病原體粘附和運(yùn)動(dòng)特性來幫助病原體亞群適應(yīng)合適的感染部位。除了促進(jìn)通過粘膜層的運(yùn)動(dòng)能力，鞭毛在粘膜表面感染期間賦予病原體其他優(yōu)勢。例如：腸致病性大腸桿菌（EPEC）和腸出血性大腸桿菌（EHEC）菌株具有稱為H6和H7的鞭毛，其具有與牛粘蛋白結(jié)合的粘附特性，表明這種附加特性有助于這些病原體在粘膜表面上的定植。
• 與抗生素治療相關(guān)的病原體艱難梭狀芽胞桿菌（Clostridium difficile）類似的鞭毛相關(guān)粘液粘附被認(rèn)為促進(jìn)該生物體的定植，這也可以在上皮表面附近形成生物膜。
• 越來越多的數(shù)據(jù)進(jìn)一步佐證了多種細(xì)菌生物膜在結(jié)直腸癌發(fā)病機(jī)制中的作用。最近在人類中發(fā)現(xiàn)了與腫瘤相關(guān)的生物膜，主要由大腸桿菌和脆弱擬桿菌組成，易于發(fā)生腫瘤的小鼠定植這些菌的話，會(huì)表現(xiàn)出腫瘤形成增加。能在粘膜層的粘附和移動(dòng)是許多共生體和病原體上皮定植和生物膜形成之前的必要步驟，因此了解調(diào)節(jié)這些事件的因素將揭示防止某些腸道感染和慢性病的策略。

致病菌破壞結(jié)腸粘液和緊密連接

• 一些結(jié)腸病原體擅長破壞結(jié)腸粘蛋白結(jié)構(gòu)和/或上皮緊密連接中的肽鍵和糖苷鍵，在感染期間賦予自身競爭優(yōu)勢。 StcE是一種研究的較為透徹的大腸桿菌金屬蛋白酶，可以切割粘蛋白，可以幫助病原體到達(dá)上皮細(xì)胞和引發(fā)疾病。

致病菌利用共生菌釋放的粘膜營養(yǎng)物質(zhì)

• 除了共生菌產(chǎn)生的SCFAs對病原體的作用之外，共生細(xì)菌對粘液的降解和抗生素處理后環(huán)境的變化在腸道中產(chǎn)生新的生態(tài)位，促進(jìn)病原體的定植和存留，例如艱難梭菌和鼠傷寒沙門氏菌。

粘膜屏障和慢性疾病

• 我們都知道，粘膜屏障的主要作用是將細(xì)菌病原體和共生細(xì)菌與腸上皮細(xì)胞保持一定的物理距離。 這種屏障的破壞導(dǎo)致諸如IBD等炎性疾病的發(fā)生。如果由于粘液產(chǎn)生或糖基化缺陷而導(dǎo)致大腸粘膜層受損，這可能導(dǎo)致其被細(xì)菌更快地分解，通常占據(jù)腸腔和外粘膜層的共生微生物可能移近宿主組織并引起免疫反應(yīng)。

總結(jié)

• 腸粘膜屏障是抵抗共生和致病微生物侵襲的第一道防線。 這種障礙的狀態(tài)和完整性取決于許多相關(guān)因素，包括宿主飲食，構(gòu)成微生物群的共生微生物群落，宿主遺傳和暴露于入侵病原體
• 飲食影響共生細(xì)菌在粘液上覓食養(yǎng)分的程度，間接改變粘膜層狀態(tài)。粘蛋白糖基化，細(xì)胞緊密連接和免疫反應(yīng)中的宿主缺陷可能損害粘膜屏障的整體彈性，并且已知會(huì)導(dǎo)致IBD等疾病。
• 各種細(xì)菌病原體已經(jīng)進(jìn)化出克服完整粘膜屏障并在人宿主中建立感染的策略。一些常見于傳統(tǒng)病原體利用的機(jī)制（例如，M60樣蛋白酶，運(yùn)動(dòng)性和粘附性）也被在許多個(gè)體中作為共生體存在的生物體使用。
• 鑒于這些相互作用的復(fù)雜性和容易控制變量的能力，例如動(dòng)物研究中膳食營養(yǎng)素的數(shù)量和形式，未來的目標(biāo)是了解飲食，腸道微生物群和健康與疾病期間粘膜屏障之間的復(fù)雜相互作用
• 進(jìn)一步研究飲食-粘膜相互作用，管理明顯的影響
  健康宿主中的病原體或共生微生物在具有易患IBD等疾病的缺陷的宿主中的致病作用應(yīng)揭示這些腸道疾病的新療法或預(yù)防策略。最后，未來的策略還可能涉及使用特定的膳食成分或藥物精確編輯腸道微生物群，如最近的一項(xiàng)研究所示，其中腸道炎癥期間腸桿菌依賴性微生物生態(tài)失調(diào)通過鎢酸鹽處理得到改善，以及腸道微生物組的益生元調(diào)制特異性靶向腸上皮細(xì)胞增殖和細(xì)胞因子產(chǎn)生以改善健康。

參考文章

[1] Interactions of commensal and pathogenic microorganisms with the intestinal mucosal barrier