Слизистая система желудочно-кишечного тракта в условиях здоровья и болезней

Желудочно-кишечный тракт - удивительный орган: он может переваривать пищу, но не переваривает сам себя; в нем содержится больше бактерий, чем клеток в организме человека, но он не позволяет бактериям захватить власть, несмотря на их быстрое размножение; и он может справляться с относительно сильной соляной кислотой без денатурации желудка. Механизмы, лежащие в основе этих удивительных навыков, различны, но основной причиной является самая мощная линия защиты желудочно—кишечного тракта - слизь.1 Проксимальная часть пищеварительного тракта, рот и пищевод, подобно коже, защищены множеством слоев плотного и в значительной степени инертного плоского эпителия, который смывается слизью из слюнных и других желез. В отличие от этого, остальная часть желудочно-кишечного тракта имеет один слой очень активных клеток. Основная защита этого уязвимого клеточного компартмента обеспечивается слизью, покрывающей эти клетки, и гликокаликсом,2,3, который образуется за счет муцинов и вокруг них.

Слизь желудочно–кишечного тракта изучалась относительно интенсивно в 1960-1980-е гг.,4,5 период, который здесь не рассматривается. Однако в последнее время менее высоко оценивался или понимался тот факт, что кишечник покрыт слизью. Здесь мы предоставляем обзор слизистой системы желудочно-кишечного тракта и обсуждаем роль слизи в состоянии здоровья и болезнях.

Основными строительными блоками слизи являются муцины, которые представляют собой крупные белки с высокой степенью гликозилирования (рисунок 1).6–10 Как правило, эти муцины на >80% состоят из углеводов и сконцентрированы в муциновых доменах.11 Эти домены построены на белковом ядре, богатом аминокислотами пролином, серином и треонином (называемыми последовательностями PTS). Эти последовательности часто называют VNTRs (тандемные повторы с переменным числом), поскольку аминокислотные последовательности часто повторяются в тандеме, хотя это не всегда так. Как следует из обозначения VNTR, длина может варьироваться, но поскольку они кодируются в пределах одного экзона, длина определяется генетически.11,12 последовательности PTS могут быть очень длинными; например, самая большая в муцине MUC2 составляет около 2300 аминокислот.13 Гидроксильные группы аминокислот треонина и серина становятся местами прикрепления GalNAc (N-ацетилгалактозамина), который добавляется в аппарате Гольджи. Репертуар пептидил-GalNAc трансфераз уникален для каждого органа и типа клеток.14 Затем эти остатки GalNAc удлиняются и разветвляются рядом других гликозилтрансфераз, образуя очень сложную смесь гликановых эпитопов.15,16 После завершения процесса гликозилирования в конце аппарата Гольджи домены муцина вытягиваются в длинные стержни. Мы подсчитали, что 2300 аминокислот большого домена муцина MUC2 составляют около 0,45 мкм в длину, а общая длина двух доменов муцина составляет 0,55 мкм (Таблица 1).17 Эти длинные жесткие стержни настолько плотно покрыты гликанами, что их белковая сердцевина полностью защищена от разложения протеазами. Гликаны муцинового домена связывают большое количество воды и, таким образом, обладают большинством типичных гелеобразных свойств муцинов.

В дополнение к одному или нескольким доменам муцина, все муцины имеют домены, которые придают им специфические свойства. Трансмембранные муцины имеют трансмембранный домен, который позволяет им закрепляться в клеточной мембране (Рисунок 1, таблица 1). Эти муцины имеют один большой N-концевой домен муцина и короткий цитоплазматический C-конец.6,7 На внешней стороне мембраны эти муцины имеют либо SEA-домен (домен морского ежа-энтерокиназы-агрина; SEA-муцинами являются MUC1, MUC3, MUC12, MUC13 и MUC17), либо NIDO-AMOP-vWD домены (только MUC4). Интересно, что оба этих домена расщепляются в процессе биосинтеза, но удерживаются вместе прочными нековалентными связями. Домен SEA расщепляется во время сворачивания с помощью автокаталитического механизма, который не требует дополнительных ферментов.18–21 Две части удерживаются вместе четырьмя листками β-гофрированного материала — два из внешней части домена муцина и два из части, закрепленной на мембране — эти части можно разъединить механическим воздействием, избегая разрыва клеточной мембраны, поскольку сила, способная разрушить домен SEA, меньше сил, необходимых для разрушения мембраны.21,22 Мембрана состоит из двух слоев. расщепление MUC4 происходит в домене vWD (von Willebrand D). Задействованные механизмы менее ясны, но предполагаются как ферментативные, так и автокаталитические процессы.23,24

Трансмембранные муцины находятся на апикальной стороне эпителиальных клеток. MUC3, MUC12 и MUC17, вероятно, образуют гликокаликс, иногда также называемый пушком, на микроворсинах энтероцитов.3,25,26 Эта гипотеза формально не подтверждена, но длина их протяженных муциновых доменов соответствует толщине гликокаликса. MUC13 также в изобилии содержится в энтероцитах, но имеет только короткий домен муцина.27

Нормальные функции трансмембранных муцинов изучены лишь частично. Гликокаликс энтероцитов, вероятно, образует защитную щеточку для перицилиарного пространства на реснитчатых клетках легкого,28 и, вероятно, действует как диффузионный барьер в желудочно-кишечном тракте, обеспечивая стабильную структуру апикальной клеточной мембраны и препятствуя нежелательному проникновению крупных молекул.3,7 MUC1, который присутствует в эпителии желудка, оказывает защитное действие против инфекции Helicobacter pylori.29 MUC1 также является хорошо известным антигеном раковых клеток, который может модулировать рост и апоптоз; он локализуется на апикальной мембране и вносит свой вклад в поведение опухолевых клеток благодаря своему большому цитоплазматическому хвосту, взаимодействующему с β-катенином и другими молекулами, участвующими в развитии рака.6,30-33 Все MUC3, MUC12 и MUC17 имеют цитоплазматические хвосты, которые взаимодействуют с различными PDZ–белками, которые являются регуляторами апикальной организации и направляются внутрь и наружу. перемещение белков, особенно ионных каналов.34-36 В дополнение к роли в защите, трансмембранные муцины, вероятно, участвуют в восприятии апикальной поверхности клеток и передаче сигналов.7,37

Все гелеобразующие муцины имеют центральные домены муцина, которые обрамлены N-концевой частью (участвует в олигомеризации) и С-концевой, образуя димерные структуры (рисунок 1, таблица 1). Эта группа муцинов использует свои N-и С-концы для образования крупных полимеров, которые вместе с доменами муцина образуют гели, типичные для слизи и имеющие первостепенное значение для защиты желудочно-кишечного тракта.1,8,13 Фактически, эволюционное появление этой группы муцинов, вероятно, совпадает с формированием простой пищеварительной системы.11 Это случайное развитие событий может иметь смысл, учитывая, что кишечник может переваривать все типы связей между аминокислотами в пище, в то время как сам кишечник остается незатронутым. Основной кишечный муцин, MUC2, устойчив к эндогенным протеазам; центральные домены муцина защищены гликанами, а N-и С-концы стабилизированы многочисленными поперечными связями между аминокислотами цистеина. Примечательно, что пищеварительные ферменты не способны переваривать гликаны, кроме крахмала и некоторых дисахаридов, оставляя муцины нетронутыми. Основные функции гелеобразующих муцинов заключаются в образовании слизи, которая вместе с дополнительными компонентами защищает и смазывает желудочно-кишечный тракт. Калдара и др.38 предполагают, что нативная свежая слизь нелипкая и негидрофобная и что липкие и гидрофобные свойства слизи проявляются после того, как слизь была сохранена или очищена.

Организация системы защитной слизи заметно различается по всему пищеварительному тракту (рисунок 2, таблица 2).39 Во рту слюнные железы вырабатывают MUC5B и MUC7, которые смазывают проглоченную пищу для прохождения по пищеводу.40–44 Желудок имеет двухслойную слизистую систему, состоящую из внутреннего, прикрепленного слоя слизи и внешнего, несвязанного, рыхлого слоя слизи, оба построены из муцина MUC5AC, вырабатываемого пищеводом. поверхностный эпителий.39,45,46 Железы желудка и двенадцатиперстной кишки выделяют гелеобразующий муцин MUC6.47,48 В тонком кишечнике, в отличие от желудка и толстой кишки, имеется только один тип поверхностной слизи, опять же состоящий из MUC2. Эта слизь не прилипает, и ее легко удалить.13 Наконец, толстая кишка снова имеет двухслойную слизистую систему, с внутренним плотным и прикрепленным слоем слизи и внешним, рыхлым и несвязанным слоем слизи, оба построены MUC2. Таким образом, один и тот же муцин, MUC2, ведет себя по-разному в тонком и толстом кишечнике.25,49,50

Из слоев слизи кишечника больше всего известно о толстой кишке и слизистой оболочке2. Этот муцин состоит из мономеров с массой около 2,5 МДа, из которых 20% составляют белковые ядра, а остальное - гликаны. Центральные домены муцина превращают мономеры в жесткие стержни длиной ~ 0,6 мкм.17 Эти мономеры ковалентно взаимосвязаны в виде димеров на С-конце и тримеров на N-конце, образуя, таким образом, крупные сетчатые структуры.51,52 Перед высвобождением в просвет кишечника MUC2 хранится в гранулах бокаловидных клеток, собранных на кольцеобразной платформе, образованной кальцийзависимыми взаимодействиями между N-концами MUC2.17 При высвобождении кальций хелатируется, вероятно, за счет бикарбоната, и муцин раскрывается подобно зонтику. и увеличивается в объеме более чем в 1000 раз. Затем сформированные сетки самопроизвольно организуются в плоские листы, которые имеют тенденцию накладываться друг на друга, подобно черепице, образуя пластинчатый внутренний слой слизи (рисунок 1).53 Этот слой остается прикрепленным к эпителиальным клеткам: его нельзя отсасывать (поэтому первоначально его называли прочно прикрепленным); он высокоорганизован; и он не позволяет бактериям проникать внутрь. Внутренний слой слизи в основном формируется и обновляется поверхностными бокаловидными клетками толстой кишки.54 Толщина этого слоя у человека составляет несколько сотен микрометров, но меньше у грызунов. Таким образом, этот внутренний слой обновляется со стороны эпителия, и время его обновления составляет около часа.54

На границе просвета внутреннего слоя слизи она переходит во внешний слой слизи по относительно четкой демаркационной линии (Рисунки 2 и and3).3). Поскольку внешний слой формируется из внутреннего, он содержит те же компоненты, но, что интересно, обладает заметно отличающимися свойствами: он рыхлый, не прикрепленный и позволяет бактериям проникать внутрь. Переход от твердой формы к рыхлой, вероятно, происходит из-за протеолитического расщепления муцина MUC2, поскольку этот переход может быть частично ингибирован ингибиторами протеазы.50 Эти расщепления позволяют муцину увеличиваться в объеме в 3-4 раза, не нарушая полимерную сеть, которая все еще удерживается вместе дисульфидными связями цистеина.50 Точные механизмы превращения внутреннего слоя слизи во внешний все еще плохо изучены, но известно, что они вырабатываются самим хозяином, а не бактериями, поскольку внешний слой слизи также существует у мышей без микробов.50

Как и толстая кишка, желудок имеет двухслойную слизистую систему.39 Внутренний слой слизи, построенный вокруг MUC5AC, действует как диффузионный барьер для соляной кислоты.55 Поверхностные эпителиальные клетки выделяют бикарбонат, создавая градиент рН от кислого просвета до нейтрального рН на поверхности клеток.56,57 Соляная кислота вырабатывается железами и секретируется вместе с MUC6 и пепсином. Интересно, что выделения этих желез способны проникать через поверхностный внутренний слой слизи через то, что выглядит как временные каналы.58,59 Впоследствии эти каналы немедленно закрываются, но оставляют отпечаток на поверхностной слизи. Как железы могут выдерживать очень высокую концентрацию протонов (pH 1-2), непонятно, но, вероятно, MUC6 важен. Вопрос о том, способствует ли MUC6 образованию внутреннего слоя слизи в желудке, является спорным.60,61

Тонкий кишечник имеет рыхлый, несвязанный слой слизи. Как и толстая кишка, этот слой образован MUC2, но слой слизи тонкой кишки обладает свойствами, аналогичными внешнему, а не внутреннему слою слизи толстой кишки (Ermund et al. неопубликованная работа . До сих пор не понятно, как один и тот же муцин может вести себя так по-разному в этих двух сегментах кишечника, хотя возможно, что MUC2 обрабатывается по-разному.

Чтобы понять хитроумие различной организации слоев слизи в тонком и толстом кишечнике, необходимо помнить об их различных функциях и окружающей среде. Тонкий кишечник, за исключением дистального отдела подвздошной кишки, поддерживается стерильным, обеспечивая при этом усвоение питательных веществ. Напротив, толстая кишка стабильно заселена сложной флорой, которая играет важную роль в обмене веществ. В тонком кишечнике обычно ограничивается воздействие бактерий путем промывания (то есть выделения слизи и жидких выделений — в основном хлоридов через канал CFTR), координируемого с интенсивной двигательной активностью. Эта двигательная активность осуществляется так называемым мигрирующим двигательным комплексом (MMC), вырабатываемым кишечной нервной системой. MMC генерирует длинные сегменты максимальной двигательной активности и секреции, которые медленно продвигаются вниз по тонкому кишечнику.62,63 Эта активность, вероятно, физически перемещает жидкую слизь и связанные с ней бактерии дистально в толстую кишку.

Для дальнейшего сведения к минимуму риска контакта вирулентных бактерий с эпителием слизь тонкого кишечника содержит высокие концентрации антибактериальных пептидов и белков, секретируемых как клетками Панета, так и энтероцитами.64 Эти антибактериальные вещества убивают или захватывают бактерии и, таким образом, сохраняют эпителиальные клетки относительно свободными от контакта с бактериями.65,66 Слой слизи является важным компонентом этой защиты, поскольку он ограничивает диффузию и создает градиент антибактериальных препаратов со стороны эпителия.67 Крипты тонкой кишки, где расположены стволовые клетки, особенно уязвимы, поскольку здесь нет физического барьера, как в толстой кишке. Клетки Панета на дне этих крипт выделяют не только антибактериальные пептиды и лизоцим, но и строительные белки, такие как MUC2 и DMBT1.68 Совместная секреция муцинов и жидкости из крипт помогает гарантировать, что этот компартмент обычно остается стерильным.

Канал CFTR, который преимущественно выделяет хлорид, играет ключевую роль в защите тонкого кишечника от бактериальной инвазии. Тяжелое наследственное заболевание муковисцидоз вызывается нефункционирующим каналом CFTR.69 Это заболевание поражает все органы, вырабатывающие слизь. Проблемы с рецидивирующими легочными инфекциями преобладают в клиническом течении, хотя желудочно-кишечный тракт также поражен у многих пациентов. Около 10% новорожденных с муковисцидозом диагностируются с мекониевой непроходимостью при рождении, а у некоторых взрослых с муковисцидозом также есть проблемы с синдромом дистальной кишечной непроходимости (DIOS).70 Эти образования характеризуются острой и полной или неполной непроходимостью уплотненной слизью, локализованной в подвздошной кишке.71 Экспериментальные модели муковисцидоза на животных (мыши или свиньи), как правило, имеют относительно тяжелый кишечный фенотип.72–74 У мышей с муковисцидозом было обнаружено, что слизь прикреплена к эпителию.75 Фенотип этой слизи был нормализован путем воздействия на нее буферных растворов, содержащих около 100 мМ бикарбоната. И наоборот, у мышей дикого типа слизь может быть превращена в слизь, подобную муковисцидозному фенотипу, путем удаления бикарбоната. Таким образом, измененная слизь у мышей с муковисцидозом была связана с недостатком бикарбоната из-за дисфункционального канала CFTR (в здоровом состоянии этот канал также выделяет бикарбонат). Бикарбонат, вероятно, действует путем осаждения ионов кальция, что, по-видимому, необходимо для правильного развертывания накопленных муцинов и образования надлежащего геля.17

Было обнаружено, что слизь тонкого кишечника остается прикрепленной к эпителию в отсутствие функционального канала CFTR, что может объяснить, почему у пациентов с муковисцидозом иногда развивается DIOS. Если слизь остается прикрепленной и не может продвигаться вперед при перистальтике, легко понять причину непроходимости. Мышиные модели муковисцидоза на самом деле можно поддерживать с помощью ПЭГ (полиэтиленгликоля) в их питьевой воде, который является осмотическим слабительным средством, которое также используется для лечения DIOS.73,76 Учитывая, что функция слизи тонкого кишечника заключается в улавливании и транспортировке бактерий дистально, можно было бы предсказать повышенную нагрузку бактерий в дистальных отделах тонкого кишечника пациентов с муковисцидозом. Фактически, повышенная бактериальная нагрузка наблюдалась как на мышиных моделях муковисцидоза, так и у пациентов с муковисцидозом (оценка по водородным дыхательным тестам).77 Кроме того, заболевших муковисцидозом мышей можно спасти с помощью антибиотиков,78,79 а отдельные наблюдения показывают, что пациенты с муковисцидозом часто испытывают облегчение от боли в кишечнике во время лечения антибиотиками заболеваний легких. Эти наблюдения на мышах и людях изящно иллюстрируют важность слизистой системы тонкого кишечника для защиты кишечника от бактерий.

Если тонкая кишка спроектирована так, чтобы ограничивать рост бактерий и транспортировать эти организмы дистально, то толстая кишка предназначена для размещения 1013-1014 симменсальных бактерий. Движения MMC происходят не в толстой кишке; вместо этого кишечная нервная система генерирует энергичные перистальтические волны (массовые движения), которые неуклонно продвигаются к прямой кишке, в конечном итоге вызывая рефлекс дефекации. Эти волны физически мощны и уносят с собой слизь. Таким образом, внутренний слой слизи, который физически отделяет бактерии от эпителиальных клеток (на 50 мкм у мышей и несколько сотен микрометров у людей), имеет первостепенное значение для гомеостаза в толстой кишке.50

Следует также помнить, что внешний слой слизи служит средой обитания и частичным источником пищи для этих бактерий. Сложные полисахариды в пище, а также MUC2, обеспечивают сложные гликаны, которые могут высвобождаться многочисленными бактериальными экзогликозидазами, удаляющими по одному моносахариду за раз.80,81 К счастью, это медленный процесс, но как только достигается ядро белка муцина, гель слизи растворяется бактериальными протеазами. Этот процесс представляет взаимный интерес для бактерий и хозяина, поскольку бактерии вырабатывают короткоцепочечные жирные кислоты из расщепленного материала и, в зависимости от вида бактерий, доставляют ацетат, проприонат и бутират в качестве источников энергии для эпителия хозяина.82

Бактерии-комменсалы человека отличаются от других животных и состоят примерно на 50% из Firmicutes и на 30% из Bacteroidetes.80 Этот состав, вероятно, не случаен, поскольку у каждого вида, по-видимому, есть механизмы отбора своей микробиоты, что иллюстрируется перекрестной колонизацией рыб-зебр и мышей, не содержащих микробов.83 Как может происходить такой отбор, непонятно, но наблюдение за тем, что у людей в толстой кишке имеется постоянный репертуар гликанов MUC2, предполагает, что эпитопы гликанов могут быть одним из таких механизмов.16

Внутренний слой слизи в толстой кишке, непроницаемый для бактерий, является основным препятствием для патогенных микроорганизмов. Для заражения требуются высокоспециализированные системы вирулентности, что объясняет относительно ограниченное количество таких организмов. Патоген грызунов Citrobacter rodendium является примером бактерии, которая способна проникать и оставаться под слоем слизи,84 аналогично тому, как Helicobacter pylori обладает специализированными механизмами, позволяющими ей находиться под внутренним слоем слизи желудка.85

Гельминтозы тонкого кишечника являются распространенной проблемой во всем мире, и по меньшей мере четверть населения земного шара инфицирована тем или иным кишечным червем. Устранение инфекции связано с увеличением количества бокаловидных клеток и секреции слизи, что было продемонстрировано на животных моделях, инфицированных Trichinella spirlis, Nippostrongylus brasiliensis и Hymenolepis diminuta.86–90 Важность слизи для выведения была также продемонстрирована на мыши, инфицированной Trichuris muris; этот вид тесно связан с Trichuris trichuria, который поражает толстую кишку человека.91 ,92 Защита опосредуется цитокинами TH2 с микроРНК в качестве регулятора.93,94

Паразит Entamoeba histolytica представляет особый интерес, поскольку этот крупный организм не только достигает эпителия толстой кишки, но и способен проникать в него.95 Исследования факторов его вирулентности показали, что паразит сначала использует лектиноподобный адгезин для прикрепления к слизи, вероятно, на внешней стороне внутреннего слоя слизи. Эта адгезия запускает секрецию протеазы, специфичной для E. histolytica, которая способна расщеплять MUC2 в одном из его наиболее уязвимых мест (где отсутствуют поперечные связи с дисульфидом цистеина).96,97 Этот механизм означает, что этот конкретный фермент может растворять внутренний слой слизи, что является необходимым вторым шагом для вторжения в организм хозяина. Однако это уязвимое место в MUC2 не является полностью незащищенным, поскольку поблизости от места расщепления находятся участки гликозилирования. Гликозилирование может блокировать расщепление, но, похоже, эти участки не всегда используются полностью (ван дер Пост, личное сообщение). Эти сайты гликозилирования могут быть одним из объяснений наблюдения о том, что только меньшинство всех пациентов, инфицированных E. histolytica, на самом деле заболевают инвазивным заболеванием. Возможно, что другие микроорганизмы также разработали хитроумные методы обхода защитной функции слоя слизи внутренней ободочной кишки, образованного MUC2.

Ишемия толстой кишки может быть вызвана болезнью или во время операции. Ишемия толстой кишки имеет более благоприятный исход, чем ишемия тонкой кишки.98,99 Причина этого различия устранена;100 в течение 1 часа ишемии толстой кишки происходит отделение внутренней слизи, что позволяет бактериям достигать эпителия и проникать в обычно стерильные крипты. Однако, когда ткань подверглась реперфузии, бокаловидные клетки крипты высвободили накопленные ими гранулы муцина, а слизь очистила крипты от бактерий и восстановила функциональный слой слизи (рисунок 3). Таким образом, бокаловидные клетки, по-видимому, относительно хорошо переносят ишемию, и когда кровообращение восстанавливается, они высвобождают свои муцины путем так называемого сложного экзоцитоза.101 Этот способ массового высвобождения также может быть вызван другими механизмами, например ацетилхолином.2,102 Массовое высвобождение муцинов соответствует тому факту, что бокаловидные клетки крипты толстой кишки накапливают большое количество СЛИЗИ2. Эти гранулы муцина имеют более медленный оборот, примерно 6-8 ч по сравнению с примерно 3 ч для поверхностных бокаловидных клеток, и обычно не высвобождают свое содержимое до тех пор, пока клетки не достигнут отверстия крипты.54 Эти наблюдения позволяют предположить, что бокаловидные клетки крипт наполнены большим количеством слизи, доступной для выделения в криптах при воздействии опасностей. После ишемии–реперфузии бокаловидные клетки крипты полностью опорожняются, а восстановление гранул муцина происходит медленно. Таким образом, эпителию толстой кишки будет трудно выполнять 100 повторяющихся манипуляций с короткими интервалами, что имеет последствия для хирургии толстой кишки.100,103