肠内的化学和物理屏障

可以确定肠屏障的几个重要分子和机制。单层上皮细胞构成管腔和粘膜组织之间的主要物理屏障。细胞旁空间由紧密连接密封，紧密连接通过连接复合体中的克劳丁和其他蛋白质的组成调节水离子和小分子的流动。紧连接下面是粘附连接，它在细胞间信号传导和上皮修复以及支持上皮稳定性的桥粒中起重要作用。紧密连接复合物由膜内蛋白、封闭素和克劳丁家族的不同成员组成，取决于细胞旁空间内相互连接的组织和位置。闭塞蛋白、克劳丁蛋白和三角肌蛋白通过细胞质支架蛋白（如闭塞带蛋白）将相邻细胞与肌动蛋白细胞骨架连接起来。Tricullin和occludin以及一种名为marvelD3的新蛋白质可以部分地相互替换，但如果这三种蛋白都下调或缺失，就会发生严重的渗漏。Claudins是一个紧密连接蛋白家族，由密封分子和孔组成，促进水和电解质的损失。闭塞带蛋白（ZO-1、ZO-2和ZO-3）是重要的细胞内紧密连接蛋白，将细胞骨架连接到跨膜紧密连接蛋白。

尽管封闭素和连接粘附分子具有调节作用，但克劳丁是主要负责肠屏障功能的跨膜蛋白。这种上皮屏障的中央调节器是肠道微生物群。完整上皮紧密连接的重要性在炎症性肠病中再次得到证实。例如，对克罗恩病患者的研究表明，乙状结肠活检中紧密连接复杂性受损，伴有封闭克劳丁-3表达降低，-5及-8和闭塞素以及claudin-5和-8关闭紧密连接。在溃疡性结肠炎（UC）中观察到类似的变化，包括claudin-1和claudin-1的下调-4和闭塞素，但成孔素claudin-2上调。

由于位于Lieberkühn隐窝的多潜能干细胞的增殖和分化，人类的肠上皮大约每5天更新一次。在结肠的绒毛顶端和上皮表面，完全分化的细胞发生凋亡并被挤出管腔。肠干细胞可分化为4种细胞系，即肠细胞、肠内分泌细胞、产生粘液的杯状细胞和Paneth细胞，这些细胞系仅在人类小肠中发现。杯状细胞分泌粘蛋白，粘蛋白高度糖基化并聚合成巨大的网状结构。粘蛋白2是大肠和小肠分泌粘蛋白的主要成分，在保持肠道微生物与上皮表面保持一定距离方面起着关键作用。

共生肠道微生物群的定植仅限于外部“松散”粘液层，并与粘液糖蛋白的各种寡糖相互作用，而“内部”粘附粘液层基本上没有细菌。在炎症性肠病的实验模型和人类中，粘液层对细菌的渗透性更强，因此被认为是该疾病和其他肠道疾病的关键病因。除了表面粘蛋白外，上皮的顶端表面还受到由膜栓系粘蛋白组成的糖萼的保护。它们也被糖基化，并在微生物结合时释放，作为防止定植的防御机制。

细胞脱落的部位代表了物理肠道屏障的第三个部位。肠上皮是体内最具活力的上皮细胞之一，上皮细胞来源于隐窝底部的干细胞，在小肠和结肠表面脱落的情况下迁移到绒毛顶端。这种细胞挤压过程可能损害上皮的完整性。最近的研究表明，在生理健康条件下，上皮细胞的拉伸会触发上皮细胞的挤出，这是通过激活拉伸敏感的阳离子压电通道来检测的。这触发了涉及鞘氨醇1激酶、S1P受体和Rho激酶的信号转导途径。该途径由紧密连接处的蛋白质重新分布触发，以包围脱落细胞，并填充挤出完成后留下的间隙，从而维持屏障。这一机制似乎非常稳健，因此屏障很少在细胞脱落的部位失效。

炎性细胞因子如TNFα通常会增加细胞脱落率。在这种情况下，紧密连接的重新分布并不总是密封脱落单元留下的间隙。这是经常观察到的，因为不止一个上皮细胞从一个部位脱落，留下一个间隙，该间隙太大，不能被紧密连接蛋白的重新分布所堵塞。

通过未密封缝隙的水流方向可以流入或流出肠壁。局部压力、电化学和渗透梯度决定了流动方向。与紧密连接相反，细胞脱落部位的缺陷太宽，不允许产生局部向内直接渗透梯度。相反，流动方向取决于管腔和上皮下层之间向内的渗透和电化学梯度的平衡，以及静水压力和蠕动产生的向外的静水压梯度。上皮下层有正的静水压力。因此，流动方向非常不稳定，并且当食物沿肠道向下流动时，在混合过程中，管腔内容物的渗透压会发生变化，从而很容易改变流动方向。

细胞脱落导致暂时性上皮缺损。荧光素通过上皮缺陷向外流动，上皮缺陷是由细胞脱落产生的缝隙未完全封闭造成的。小肠克罗恩病患者的共焦激光内窥镜图像。

肠道屏障的粘液成分由抗菌肽和包括溶菌酶在内的蛋白质强化。Paneth细胞产生一系列抗菌因子，保护隐窝细胞免受微生物感染，包括α-防御素、溶菌酶和Reg3蛋白。上皮细胞分泌β-防御素，其中一些在模式识别受体（如Toll样受体）感应微生物时上调。回肠CD与Panethα防御素的产生减少相关，以响应通过模式识别共生细菌和病原体的微生物感应，而结肠CD与HBD1表达减少相关，HBD2和HBD3诱导减少也导致粘膜防御降低。在小鼠中，Paneth细胞中产生20多种α-防御素（隐蛋白），但中性粒细胞中不产生，并且与人类系统相比，这些防御素的处理方式不同。最近研究表明，Reg3蛋白在屏障防御中起着关键作用。例如，据报道，人类的小鼠REG3和HIP/PAP在体外对革兰氏阳性细菌具有杀菌作用，并且在肠道微生物的空间分隔中具有重要作用。

其他结构，如血管、平滑肌细胞层和肠神经系统（ENS）的组成部分，通过调节粘膜和在危险情况下启动特定防御计划的能力，有助于形成肠屏障。

哺乳动物在粘膜中产生大量分泌性免疫球蛋白A（sIgA），反映其在免疫和抵抗病原体方面的核心作用。B细胞活化和增殖导致抗原特异性sIgA产生，通过T细胞依赖性途径在肠道相关淋巴组织（GALT）中发生。除了产生IgA的T细胞依赖性途径外，还有一种更快的机制可以产生IgA对共生细菌和病原体上高度保守的抗原决定簇的反应。在小鼠中，这涉及到一个特殊的B-1细胞亚群，在没有CD4+T细胞帮助的情况下，该亚群可以快速产生分泌性IgA。这种sIgA通常被称为“天然”抗体，似乎与多种抗原结合。“天然IgA”的种类受到限制，亲和力成熟受到限制，尽管肠道中产生IgA的浆细胞使用的重链可变区基因在体细胞高度突变，以使抗体特异性多样化。在人类中尚未发现等效的B-1细胞，但它们可能具有功能等效的细胞，可以在淋巴组织中定植并产生天然抗体。

肠道产生的大部分IgA似乎对共生微生物群没有反应。然而，在无菌小鼠中，sIgA在肠道中的含量非常低，并且在细菌定植后不久显著增加。sIgA可通过与病毒和细菌结合来介导粘膜表面的保护，以防止或抑制它们附着和/或入侵上皮细胞，这一过程称为免疫排斥。此外，在pIgR介导的通过上皮细胞的转运过程中，sIgA还可以与内体中细胞内病原体呈现的抗原相互作用。sIgA在形成肠道微生物群、通过免疫排斥预防粘膜炎症、去除LP中的抗原抗体复合物和中和炎症介质方面的稳态作用。