谷氨酰胺对肠道屏障功能调节保护作用的研究进展

近年来，谷氨酰胺（Gln）作为特殊的免疫营养素成为各学科领域的研究热点，尤其在机体应激状态下对维护肠道结构和免疫功能的完整性具有不可替代的作用。因此，Gln被认为是应激状态下的“条件必需氨基酸”。肠道作为危重病应激的中心器官和MODS的始动器[1]，使人们逐步重视肠道功能在病人整体病理过程中的作用。本文将Gln对肠道免疫屏障功能的保护作用的研究进展做一综述。

1 Gln的生理作用和肠道代谢基础

Gln是L-谷氨酸的γ－羧基酰胺化物，化学名2，5－二氨基－5－氧化戊酸，分子式为C5H10N2O3,含有一个α－氨基酸和一个易水解的末端酰胺基，属于脂肪族的中性氨基酸。Gln是人体血液中最丰富的氨基酸，浓度约为800～900 μmol/L，占血浆游离氨基酸的20％,也是骨骼肌细胞内最丰富的氨基酸，约占游离氨基酸的61％。Gln是一非必需氨基酸， 其在体内许多代谢途径上发挥重要作用,是三羧酸循环的中心环节。它不仅是组织细胞分裂增生必需成分核苷酸、嘌呤、嘧啶等分子的合成原料和体内重要的抗氧化分子－谷胱甘肽合成的前体，还是肠黏膜细胞、淋巴细胞等增生代谢旺盛细胞的主要燃料；是组织间氮交换的“运载机”，在维持机体氨基酸内稳态上有重要调节作用[2]。

体内Gln的代谢主要受两种酶调节：Gln酶和Gln合成酶。前者催化水解为谷氨酸和氨，同时消耗能量，主要存在于一些快速增殖分化的细胞中，如黏膜上皮细胞、淋巴细胞和内皮细胞等；后者催化谷氨酸与氨结合成Gln,主要存在于肺、骨骼肌和脑组织。

机体在遭受应激创伤后，组织分解代谢增强，Gln消耗增加，体内Gln急剧下降；而以其作为主要燃料的肠黏膜细胞、免疫细胞将发生功能障碍；如再合并其他致伤因素(休克、炎性介质、致炎细胞因子等)的进一步损害，那么肠黏膜屏障及免疫系统将严重受损，随之发生细菌和内毒素易位，导致全身炎症反应(SIRS)和多器官功能衰竭(MODS)的发生[3,4]。因此,在机体应激状态下其就成为条件必需氨基酸。肠道除了营养素的消化和吸收外，另一重要功能就是防止肠道内的细菌毒素进入血流，即屏障功能。肠屏障功能不良是手术和创伤后(代谢)应激状态下以及没有明显感染病灶情况时发生感染性并发症的一个病因[3]。肠血流供应损害及营养(底物)供应不足是引起肠屏障功能障碍的两个重要原因[5]。应用Gln可为肠黏膜细胞提供营养底物，并可能改善肠血流供应，降低肠黏膜通透性，预防或减轻肠屏障损害，增强肠免疫功能,减少细菌易位，防止肠源性感染发生[6]。在胃肠道，Gln的摄入发生在小肠黏膜的微绒毛上皮细胞，尤其是回肠黏膜的上皮细胞。该处Gln酶活性最强[7]，故对Gln的需求也最高，而回肠Gln酶活性则较低。因此，从功能上来看，小肠代谢Gln的意义在于：氧化供能；为糖异生和肝脏尿素合成提供前体物质。动物试验显示，Gln是小肠代谢的一个重要营养成分，尤其是在应激状态下，补充Gln能减轻小肠重量的降低，小肠黏膜萎缩也可部分被阻抑[8]。Gln具有防治肠黏膜发生病理改变的作用。

2 肠道屏障功能及损伤机制

肠黏膜控制分子摄入机体的能力被定义为肠道的屏障功能，它受到神经和激素的调控,因而极有可能是应激反应的靶器官。肠黏膜长期暴露于食物、细菌及其产物、入侵病毒等物质产生的巨大的抗原负载中。在炎症性肠病等病理状态下,过量的抗原通过上皮细胞进入黏膜,并持续刺激，引起不适宜的免疫反应，导致肠道的炎症。严重时肠腔内摄取的毒性物质进入血液循环，引起SIRS,并有可能并发MODS。

肠道屏障功能的损伤机制可能与以下几个因素有关。（1）缺血缺氧与肠黏膜损伤：当机体遭受严重创伤或休克时，全身血液重新分配，胃肠道血流明显减少。如果全身血流量减少10%，就可能导致胃肠道血流减少40%。在各种应激时，胃肠道最早发生缺血缺氧，又最迟得到恢复，易较早受损或衰竭[9]。小肠绒毛营养血管呈发夹状，发夹顶端位于绒毛顶部，供血较差，在病理情况下，肠绒毛顶端更容易发生缺血性损害。缺血缺氧时，肠黏膜上皮水肿，上皮细胞膜和细胞间连接断裂，细胞坏死，上皮从绒毛顶端开始脱落，导致肠通透性增加，细菌移位发生。Saydjari等[10]在烧伤模型上证明肠系膜血流量与肠道细菌移居率呈负相关。缺血缺氧会导致局部产生大量酸性代谢产物，酸中毒本身可以直接引起细胞代谢障碍，也可以间接通过增加细胞外Ca2+内流而使细胞水肿加重，引起上皮通透性增加。（2）缺血再灌注损伤：在动物实验和临床上观察到，恢复血液再灌注后，部分动物或患者出现细胞代谢障碍，结构破坏反而加重，这种现象称为缺血再灌注损伤。导致肠缺血再灌注损伤的主要机制是形成具有毒性的活性氧代谢产物，包括过氧化氢、羟自由基、超氧离子等。它们可以损伤核酸、蛋白质、脂质，导致细胞功能障碍或死亡。活性氧化产物可以通过以下几种途径：儿茶酚胺途径；中性粒细胞的呼吸爆发；黄嘌呤氧化酶途径。肠组织中富含黄嘌呤氧化酶，肠黏膜细胞遭受的氧应激损伤显著[11]。（3）炎症介质的形成和内毒素的侵入：在机体遭受严重创伤或休克时，炎症介质会大量产生并相互作用，形成网络，并不断循环促进，形成“瀑布样”反应，从而造成肠粘膜的损伤。参与的炎症介质包括肿瘤坏死因子（TNF）、白介素（IL）、一氧化氮（NO）、血小板活化因子（PAF）等。TNF由巨噬细胞产生，在受到致病因素作用时，产生最快，到达高峰时间也最早，TNF-αIL-1IL-6是细胞因子级联反应的基本过程[12]。在此过程中，TNF-α可能起着核心作用，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和弹性蛋白酶，对血管内皮细胞和器官组织产生损害作用。并可诱导大量NO生成，造成持续低血压，微循环瘀血，加重组织的缺血缺氧，TNF-α对肠黏膜的直接损害作用通过动物实验得到证实。TNF-α还能通过交感－肾上髓质系统使儿茶酚胺分泌增加。内毒素是G-菌胞壁的脂多糖（LPS）部分。内毒素可以引起黏膜水肿，肠绒毛顶部细胞坏死，肠壁通透性增加，从而破坏肠黏膜屏障功能；同时内毒素可以激活补体，使血液凝固，产生刺激血管的激肽和激活巨噬细胞的IL-1等，导致细菌和内毒素移位。Chakravortty[12]等通过实验发现内毒素对肠黏膜屏障功能的破坏作用是通过成纤维细胞来调节，内毒素可以刺激成纤维细胞产生TNF－α等细胞因子，当给与TNF抗体时，内毒素对肠黏膜破坏作用明显减弱。（4）营养代谢障碍：在机体遭受严重创伤、感染、休克时，常伴有营养代谢障碍。营养缺乏可引起肠上皮细胞DNA含量减少，蛋白质合成及细胞增生减少，肠腔内黏液层厚度变薄，导致黏膜萎缩和继发肠黏膜酶活性下降。同时营养不良又导致机体蛋白质尤其是免疫球蛋白水平的下降，淋巴细胞减少，使肠道和全身免疫功能受损。诸多动物实验和临床研究表明,适当剂量Gln的肠外营养(PN)和肠内营养(EN)，可以增加肠绒毛高度，降低肠黏膜通透性和增强肠免疫功能，可防止细菌移位，维持肠黏膜屏障。

3 Gln对肠免疫屏障功能的调节作用

肠道免疫功能是肠道黏膜屏障功能不可缺少的一部分，而作为功能物质的Gln与肠道免疫是不可分割的。Gln除发挥前述主要功能外，还可以加强免疫细胞的功能，如增加刀豆素A诱导的免疫细胞的增生、增强酵母细胞和羊红细胞的核吞噬作用、中性粒细胞的杀菌作用及巨噬细胞杀伤伪白念珠菌作用[13]。在体外，Gln缺乏或供给不足，将导致肝巨噬细胞的吞噬能力减弱，其RNA合成能力降低[14]。缺乏Gln的EN，可引起肠道相关的淋巴组织萎缩，集合淋巴小结内T和B淋巴细胞明显减少；在固有层内，IL-4和IL-10mRNA的减少伴随着全肠道组织内IL-4和IL-10的减少。已知IL-4和IL-10是重要的Ⅱ型辅T细胞淋巴(Th2)一类的刺激IgA合成增加的细胞因子，其中IL-4可刺激B细胞向IgA+B细胞转化，而IL-10可刺激IgA+B细胞进一步转化为成熟的IgA分泌细胞，二者的减少和肠道IgA水平降低密切相关。由此推断，IL-4和IL-10的减少，可通过使固有层细胞群萎缩进而引起IgA产生减少。Fukatsu等[15]发现，补充Gln的小鼠在腹腔内注射内毒素后，其IL－4和IL－10的mRNA表达不受影响。进一步研究发现胆汁中分泌性免疫球蛋白A(S-IgA)分泌下降50%，细菌大量黏附于肠黏膜表面，肠系膜淋巴结中明显有细菌移位，肠壁固有层中IgA浆细胞、CD4和CD8淋巴细胞数也明显减少,而添加Gln后胆汁中S-IgA含量和肠道T、B淋巴细胞数量与正常动物相比差异无显著性，而肠道S-IgA合成显著增加因此，降低了肠道细菌与上皮细胞的黏附力，维护了肠道免疫功能。另外，IL-4和IL-10也影响粘附分子的表达,在正常水平下，可抑制细胞间粘附分子-1(ICAM-1)的表达。而ICAM-1、P和E选择素通过中性粒细胞(PMN)和内皮细胞的相互作用对PMN的活化起关键的作用。PN可增加肠道ICAM-1和P选择素的表达，并可以导致PMN在肠道内积聚；缺乏Gln的EN，除增加肠道通透性外还可以增加肠道黏膜或免疫细胞释放前炎症因子如TNF-α、IL-1和IL-6，这些细胞因子会加重全身炎症反应，使这种恶性循环进一步抑制肠道免疫监视作用，并促进细菌移位[16]。因此，Gln的改善作用还可能是通过减少这些前炎症因子的释放，以减少PMN的活性和聚集。淋巴细胞和巨噬细胞也可摄取和利用大量Gln。Gln既是淋巴细胞受抗原刺激后大量增殖和分化中核苷酸合成的重要前体，又是淋巴细胞的重要能源。在离体实验中已证实，若培养基中缺乏Gln,则淋巴细胞对致热原的刺激反应受到明显的损害。由于巨噬细胞是终末分化型细胞,因而巨噬细胞摄取和利用Gln并非用于细胞增殖和分化所需的核苷酸合成,而是用于巨噬细胞在免疫应答过程中合成mRNA,以合成和释放大量分泌性蛋白质，如肿瘤坏死因子(TNF)、白介素(IL)或用于磷脂的合成,以支持巨噬细胞膜的胞饮和吞噬活性。此外，Gln也是肝细胞或肠上皮细胞促进分泌型免疫球蛋白转运的底物。因此，Gln缺乏能明显降低肠腔中分泌型免疫球蛋白含量，与肠黏膜上分泌分泌型免疫球蛋白的浆细胞数量减少有关。同时还能严重影响肠黏膜固有层和肠系膜淋巴结细胞的增殖和功能，进一步降低肠道的免疫功能。在严重创伤、烧伤、大手术等应激状态下，补充Gln能有效阻止分泌型免疫球蛋白分泌的降低，证明了Gln在肠道免疫中的重要作用[17]。

近年来，肠内营养应用逐渐多于肠外营养，成为外科临床营养支持的首选途径。大量的动物实验与临床研究已证明了Gln作为特殊营养底物的作用。创伤、手术打击、感染等应激损害不仅严重的破坏了肌体器官和系统的结构及功能的完整，削弱了机体的免疫功能，其继发的SIRS及伴随的代谢紊乱，从而引起MODS以及并发症发生率和病死率均增加。近年来，在这种应激代谢过程中，Gln发挥着重要作用已逐渐被人们认识和肯定[18]。目前尚缺乏在严重肝、肾疾病和中枢神经系统疾病中应用Gln的临床资料，故对这类病人应用时应注意观察和监测。肠内应用Gln的动物实验和临床研究，无论在深度和广度上远不如肠外应用Gln那样广泛。对于肠道内应用Gln，是否能象肠外营养那样,在改善病人的氮平衡、调节免疫功能、降低感染发生率和病死率方面有明显的疗效,仍需大量前瞻性、随机的临床和实验研究,还需要更多翔实的资料。随着人们对Gln认识的逐步深入，临床上在严重创伤、大手术、烧伤等应激状态下或长期全胃肠外营养时，补充Gln可降低肠黏膜的通透性，维护肠道黏膜结构，增强黏膜免疫功能，减少肠道细菌易位，可避免肠源性败血症的发生。补充Gln，在促进肠黏膜修复和维护肠道免疫功能方面，起到有效的治疗作用。

参考文献：

[1] Gennari R，Alexander JW.Effects of hyperoxia on bacteria transloca- tion and mortality during gut-derived-sepsis[J].Arch Surg，1996，131 (1):57.

[2] Heys SD,Ashkanani F.Glutamine[J].Br J Surg，1999,86(3):289.

[3] 黎介寿.加强对肠屏障功能障碍的研究[J].中华医学杂志，1999，79 （8）：581.

[4] Van der Hulst RR, Von Meyenfeldt MF,Van Kreel BK,et al.Gut per- meability intestinal morphology and nutritional deplerion [J].Nurition, 1998,14(1):1.

[5] Foitzik T,Kruschewski m,Kroesen AI，et al.Does glutamine reduce bac-terial translocation? A study on two animal models with impaired gut barrier[J].Int J Colorectat Dis, 1999,14(3):143.

[6] 蒋小华，李宁，朱维明.肠内免疫营养对手术创伤后机体免疫炎症反应及预后的影响[J]. 中国实用外科杂志，2004，24(1):43.

[7] Smith RJ.Gluttamine memholism and its physiologic importance[J].Par-enter Enteral Nur ，1999，14(4):40.

[8] Li Y,Li J,Jiang J,et al.Glycy-glutmine-supplemented long-term total small-bowel autotransplantation in the pig[J].Transpl Int，2003,16(12): 866.

[9] Sechi A,Oranderl JM，Schmidt W，et al.Effect of endotoxemia on hep-atic portal and sinusoidal blood flow in rats[J].J Surg Res,2000,89(1):26.

[10] Boros M,Takaichi S,Hatanaka K.Ischemic time dependent microvas-cular changes and reperfusion injury in the rat small intestine[J]. J Surg Res,1995,59(2)：311.

[11] Mitsuoka H,Schmid-Schonbein GW.Mechanisms for blockade of in twoactivator production in the ischemic intestine and multiorganfailure[J].Shock,2000,14(5):522.

[12] Chakravortty D,Kumark SN.Modulation of barrier function of smallintestinal epithelial cells by lamina propria fibroblasts in response to lipopolysaccharide:Possible role in TNFαin inducing barrier dys-function[J].Microbiol Immunol,1999,43(6):527.

[13] Calder PC.Glutamine and the immune system[J]. Amino Acids,1999,17(3):227.

[14] 施 鑫，刘放南，陈永明.谷氨酰胺对内毒素激活大鼠枯否细胞的免疫作用[J].中华实验外科杂志，2001，18（2）：152.

[15] Fukatsu K，Lundberg AH，Hanna MK，et al.Route of nutrition influ-ences intercellular adhesion molecule expression and neutrophil ac-cumulation in intestine[J]. Arch Surg,1999,134(10):1055.

[16] Macclave SA，Ritchie CS.Arttificial nutrition in pancreatic disease: what lessons have we learn from the literature[J].Clin Nutr,2000,19(1):1.

[17] De-Souaz DA,Greene LJ.Intestinal permeability and systemic infec-tions in critically ill patients：effect of glutamine[J]. Crit Care Med，2005,33(5):1125.

[18] Coeffier M，Dechelotte P.The role of glutamine in intentsive care unitpatients：mechanismsofaction and clinical outcome[J]. Nutr Rev，2005,63(2):65.

收稿日期：2007-08-15