溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)是一种慢性非特异性肠道炎症疾病,病程长且难以治愈,临床上将UC可分为初发型、慢性复发型、慢性持续型和急性爆发型,其中慢性复发型最为常见
[1]。全球范围内,UC的发病率逐年上升
[2],特别是在亚洲、欧洲和北美洲,发病率分别为24.3/10万、6.3/10万和19.2/10万
[3],尽管中国的发病率相对较低(1.18/10万),但由于人口基数庞大,预计到2025年,中国炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)患者总数将达到150万,UC已成为一个重要的公共卫生问题。
UC的病因病机复杂,涉及遗传因素、环境因素、肠道菌群失调、免疫系统紊乱以及信号通路传导异常等多个方面。遗传因素通过全基因组关联研究(Genome‑wide Association Study, GWAS)
[4]揭示了与UC相关的易感基因位点,这些位点涉及免疫反应和细胞信号传导等生物学过程;而环境因素
[5]中吸烟与饮食习惯为公认的IBD相关因素;人体的肠道又是一个复杂的生态系统,肠道菌群
[6]在维持肠道黏膜屏障和免疫调控中起关键作用,其不平衡而导致益生菌受抑,致病菌生长;UC又是一种免疫介导
[7]的疾病,肠道黏膜下的免疫细胞异常活化和功能失调导致持续的炎症反应。
其次,信号通路如Nrf2
[8]、NLRP3
[9]、JAK ‑STAT
[10]和TLR4/NF‑κB
[11]的紊乱在UC的发病机制中起重要作用。其中Nrf2信号通路的紊乱可能导致抗氧化反应减弱和炎症反应增强导致IL‑1β和IL‑18的过度分泌,从而加剧炎症;NLRP3炎症体的异常激活涉及K⁺外流、Ca²⁺信号、活性氧和线粒体功能障碍,这些信号事件的紊乱可能导致NLRP3炎症体的异常激活从而促进炎症反应;JAK‑STAT信号通路的紊乱可能导致免疫细胞异常活化和炎症因子过度产生;TLR4是天然免疫中识别病原相关分子模式(Pathogen Associated Molecular Pattern, PAMPs)的重要受体,其信号通路紊乱可能导致NF‑κB的异常激活,进而促进炎症相关基因的表达。
综上所述,UC的病因病机并非是各因素的孤立作用,而是遗传、环境、肠道菌群、免疫系统、信号通路传导等多因素相互交织、协同影响的复杂过程。且过往的研究模式存在一定局限性,此前多数研究往往仅着眼于单一因素,分别探讨遗传、环境、肠道菌群、免疫系统紊乱以及信号通路异常等因素各自对UC产生的影响,却未能深入探究这些因素之间复杂的交互作用,缺乏系统性的综合分析。
而此独辟蹊径,从多维度视角展开创新性探索。通过整合遗传易感基因、肠道菌群动态平衡、信号通路异常活化以及免疫系统之间的相互关系,全面深入地挖掘这些因素协同引发肠道黏膜持续炎症的内在机制。这一创新性的研究方式,突破了传统研究的局限,为UC病因机制的探究开辟了全新的方向。
1 基于遗传因素探讨UC的病因病机
遗传因素在UC发病中起关键作用,尤其是在UC的易感性方面。流行病学
[12]表明,UC发病率在不同地区和种族间存在差异,亚非国家低于欧美国家,家族史是UC发病的重要风险因素,8%~14%的UC患者有IBD家族史,犹太人中IBD发病率是其他白种人的4倍,一级亲属患病风险是无家族史者的4倍
[13]。随着对IBD遗传学研究的深入,GWAS发现240多个IBD易感基因位点,涉及免疫调节、细胞信号传导和肠道屏障功能等过程,影响UC易感性、表型和严重程度
[5]。其关键基因包括
NOD2、ATG16L1、CARD9、CLEC7A、IL23R、IL‑10和
TNFSF15等,它们在免疫反应、自噬、细胞因子调节和肠道微生物群反应中发挥重要作用。
核苷酸结合寡聚化结构域2
[14](Nucleotide ‑binding Oligomerization Domain, NOD2)是一种细胞内模式识别受体(pattern recognition receptors, PRR),主要在肠道上皮细胞和免疫细胞中表达,它通过识别细菌细胞壁中的肽聚糖成分(如胞壁酸二肽)激活免疫反应
[15],其突变(如R702W、G908R和L1007fs等)与IBD风险显著相关
[16],会直接影响潘氏细胞分泌抗菌肽(如α‑防御素),削弱肠道上皮的防御功能,降低其对病原体的识别和清除能力,这也就表明遗传因素与肠道菌群、免疫系统之间存在紧密联系,进而增加IBD发病风险。
自噬相关蛋白16同源物1
[17](Autophagy Related 16 Like 1, ATG16L1)基因在细胞自噬中起关键作用,通过清除受损线粒体、蛋白质聚集体等维持细胞内环境稳定。但
ATG16L1基因存在某些遗传变异可能性
[18],尤其是T300A多态性,其多态性与UC风险增加相关,可能导致蛋白功能受损,影响自噬过程和病原体反应,进而干扰潘氏细胞分泌抗菌肽,削弱肠道上皮防御功能,引发肠道菌群失衡和慢性炎症,肠道菌群失衡又会进一步影响肠道屏障功能,使信号通路异常活化,如激活NF‑κB等信号通路,加剧炎症反应,也体现了遗传、肠道菌群、信号通路之间的相互作用。
半胱天冬酶募集结构域家族成员9
[19](Caspase Recruitment Domain Family Member 9, CARD9)是一种重要的免疫信号接头蛋白。研究表明
[20],其包含位于蛋白N端的CARD结构域、位于蛋白中间部分的Coiled‑coil结构域和位于蛋白C端的BIR结构域,都具有调节蛋白质稳定性以及相互性的功能,而
CARD9基因的某些变异
[21](如rs10781499)与IBD易感性有关,
CARD9基因参与调节肠道微生物群的组成,当
CARD9缺失或功能出现障碍时,可能会导致肠道微生物群失衡、病原体清除能力下降、和过度炎症反应,从而增加IBD风险。
C型凝集素结构域家族7成员A
[22](C‑Type Lectin Domain Family 7 Member A, CLEC7A)是一种C型凝集素受体(Type C Lectin Receptor, CLR),主要表达于巨噬细胞、中性粒细胞和树突状细胞。研究表明,其通过C型凝集素结构域识别病原体(如真菌细胞壁中的β‑葡聚糖),并结合下游信号分子(如SYK激酶),激活NF‑κB等转录因子,促进炎症细胞因子的产生,从而调节免疫应答。其遗传变异
[23](如rs2078178和rs16910631位点)可能影响其功能,它通过与Dectin‑1等其他CLR相互作用
[24],参与调节炎症反应,在识别病原体后,CLEC7A能够激活NF‑κB和其他转录因子,促进炎症细胞因子的产生进而影响肠道微生物群的平衡,以及免疫失调,从而增加感染IBD的风险。
白细胞介素23受体
[25](Interleukin 23 Receptor, IL23R)基因,其通过与IL‑23结合激活JAK2/STAT3信号通路,促进Th17细胞分化,调节免疫反应。研究表明
[26],此基因突变(如rs11209026)与IBD易感性相关,可能导致肠道微生物失衡和炎症反应异常,增加感染UC的风险。此外,白细胞介素10
[27](Interleukin 10,IL‑10)基因的单核苷酸多态性和肿瘤坏死因子超家族成员15
[28](Tumor Necrosis Factor Superfamily Member 15, TNFSF15)基因变异(如rs3810936、rs6478108、rs6478109)也与UC易感性增加有关,这些变异可能破坏免疫调节平衡,影响肠道黏膜免疫反应,进而增加感染UC的风险。
2 基于环境因素探讨UC的病因病机
除遗传因素之外,环境因素也是引起UC病因的重要因素。研究表明
[29],随着发展中国家的卫生条件改善导致肠道感染减少,可能使肠道免疫系统不平衡,有益菌
[30]减少,其代谢产物短链脂肪酸
[31](Short‑Chain Fatty Acid, SCFAs)含量下降,影响肠上皮细胞功能。同时,致病菌丰度升高触发过度炎症反应,导致肠损伤,增加UC发病风险。除此之外,吸烟以及过量摄入高能量加工食品
[33]也会导致肠道菌群紊乱,破坏其多样性和功能,是引起UC的重要因素
[32]。
3 基于肠道微生物探讨UC的病因病机
研究表明
[34],在UC患者中,肠道菌群结构与健康人相比有显著差异,主要表现在肠道菌群稳态失衡,益生菌
[35]参与构成黏膜屏障,保护机体免受病原体侵害。当宿主UC发展时,肠腔内氧气含量增加,抗炎细菌减少,促炎细菌增多,使黏膜屏障受损。这种失调与其他致病因素相互交织,如乳酸杆菌,作为重要的益生菌,数量减少时,其产生芳烃受体配体、促进黏膜免疫平衡和维持肠道稳态的功能大幅减弱,这不仅导致肠道屏障功能受损,使病原体更易入侵,还打破了免疫系统的平衡,而免疫系统的失衡,又会致使免疫细胞异常激活,T细胞亚群失衡,Th1和Th17细胞过度激活,Treg细胞功能受损,这种肠道菌群、免疫系统的一系列交织作用最终加重炎症反应。
3.1 肠道屏障功能受损
肠道屏障主要由肠道上皮细胞和黏液层构成,其完整性对于防止病原体和有害物质侵入至关重要
[36]。在正常状态下,肠道菌群与肠道屏障和谐共存,但这种平衡一旦被打破,致病菌可能引发炎症,加速UC的发展。肠道菌群主要包括厚壁菌门、变形菌门、放线菌门和拟杆菌门等
[37],其代谢产物如短链脂肪酸(SCFA)
[38]对肠道健康至关重要,SCFA中的丁酸盐是结肠上皮细胞的主要能量来源,具有抗炎和增强肠道屏障功能的作用。
然而,在UC患者中,SCFA的产生减少,无法有效激活Nrf2信号通路,其信号通路受阻后导致肠道屏障进一步受损,炎症因子(TNF‑α、IL‑1β和IL‑6等)迅速发展,自由基和活性氧(ROS)会直接损伤上皮细胞和黏液层,这种屏障功能受损会增加肠道通透性,导致屏障功能障碍,使细菌及其产物更容易穿过肠道上皮进入血液循环(见
图1),引发系统性炎症反应。这一过程充分展示了肠道菌群与免疫系统、信号通路之间的密切交互影响。
3.2 肠道微生物群紊乱
肠道微生物群是复杂生态系统
[39],由数以万亿计的微生物组成。健康人群消化系统中有500多种微生物,占人体内环境微生物种类的1.67%~2%,其中拟杆菌门和厚壁菌门约占消化道微生物群的90%,尽管个体间存在差异,但大多数健康成人肠道中存在共同的核心菌群,包括厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门等
[40]。
研究表明,厚壁菌门的紊乱与UC病因有直接关联,尤其是产SCFA和具有免疫调节作用的成员(如产丁酸
[42]的乳酸杆菌)
[41]。乳酸杆菌可产生芳基烃受体(AhR)配体吲哚‑3‑甲醛,激活AhR依赖性IL‑22转录,促进黏膜免疫平衡
[43]。瘤胃球菌
[44]通过水解淀粉等产生丁酸盐和其它SCFAs,这些细菌近端结肠中FODMAP的快速发酵导致SCFA
[45]和乳酸的大量生成,进而影响黏膜屏障增强肠道屏障功能,维持肠道稳态。在UC患者中,丁酸生成减少
[46],削弱肠道屏障保护作用,导致多样性失衡,最终加大感染UC的风险。
双歧杆菌属放线菌门,堪称肠道的忠诚卫士
[47]。它一方面促进黏液分泌,合成紧密连接蛋白,加固肠道黏膜屏障,维持其完整性与机械屏障功能;另一方面,双歧杆菌能制造SCFAs
[48],通过toll样受体2抑制Th1细胞分化,减少活性氧自由基,调节细胞因子,还能激活toll样受体9,锁住NF‑κB这个 “炎症开关”,抑制促炎细胞因子生成,减轻炎症。但双歧杆菌数量减少,肠道微生物会紊乱,肠道炎症随之而来,增加感染UC的风险。
与一些益生菌形成鲜明对比的是肠杆菌,多数肠杆菌为致病菌,如大肠埃希菌,UC是肠道上皮屏障功能受损的慢性炎症病,早期黏液屏障遭破坏。黏蛋白2(Muc2)
[49]对维持肠道屏障功能极为关键,它主要存在于大肠黏液层,能保护肠道上皮细胞。经O‑糖基化
[50],其涉及在蛋白质上添加糖链(寡糖),Muc2蛋白增加分子量与黏性,形成保护性黏液凝胶层。但大肠埃希菌增多时,即便 Muc2蛋白含量不变,O‑糖基化却减少,这改变了Muc2蛋白物理特性,降低黏性与稳定性,减弱保护肠道上皮能力,致使肠道微生物群组成与功能受影响,引发炎症,最终上升感染UC的风险UC。
肠球菌在机体免疫下降时可成为致病菌,其分泌因子、表面成分及应激蛋白增强致病力,攻击局部黏膜引发炎症
[51]。UC患者体内肠球菌、肠杆菌等致病菌增多,它们与IgG、IgM、IgA等血清免疫球蛋白水平呈负相关,致使免疫球蛋白水平下降,反映机体免疫功能受抑制或损害;与HMGB1、IL‑6、TNF‑α等炎症因子水平正相关
[52]。HMGB1是晚期致炎因子,可激活单核巨噬细胞释放促炎因子,IL‑6 和TNF‑ α也是关键炎症因子,因此这些致病菌增加会提高炎症因子打破肠道菌群平衡制度,从而加大诱发UC的感染风险。
活泼瘤胃球菌善于分解肠道黏液,靠消耗黏液层黏蛋白糖分子里的唾液酸获取能量,同时产生丙酸和丙醇
[53]。这一特性会削弱肠道保护性黏膜屏障,提升肠道对细菌的通透性。另外,其还能激活免疫系统
[54],产生含鼠李糖和葡萄糖的复杂糖分子,该糖分子通过依赖 TLR4的途径激活树突状细胞,促使其释放更多促炎信号,进而加剧炎症反应,产生肿瘤坏死因子α(TNF‑α)等多种炎症因子。
综上所述,有益菌减少或功能异常,潜在致病菌数量增加(见
表1),均与UC发展密切相关。因此,肠道微生物群失衡会破坏肠道屏障功能,引发或加重炎症,诱发UC形成。
4 基于信号通路探讨UC的病因病机
研究表明
[55],信号通路的异常活化与UC疾病进展紧密相连。当黏膜受感染或损伤,细胞被激活增殖,触发肠道内信号转导分子,促使炎性细胞因子水平上升。导致加剧肠上皮细胞凋亡;肠黏膜炎症损伤,引发UC的黏膜病变。
4.1 NF‑κB信号通路的异常活化
NF‑κB(核因子κB)信号通路在炎症调控中起核心作用
[56]。常态下NF‑κB与抑制蛋白1κB结合,在细胞质中呈非活化态。当TLR4识别脂多糖等病原相关分子模式被激活,触发信号传导,激活1κB激酶复合体,使1κB蛋白磷酸化后被蛋白酶体降解,释放NF‑κB,之后其转移至细胞核,激活TNF‑α、白IL‑1β、IL‑6等炎症相关因子
[57],加剧肠道炎症。此外,NF‑κB参与调控肠道上皮紧密连接蛋白、上皮细胞凋亡与增殖、黏液蛋白表达,其异常活化致蛋白表达失调,破坏肠道屏障,而促进炎症加剧,因此会增加感染UC风险。
4.2 JAK‑STAT信号通路异常活化
Janus激酶(JAK)‑信号转导
[58]和转录激活因子(STAT)信号通路是细胞内信号传导的关键途径,这个信号通路涉及从细胞膜到细胞核的信号传导,调控细胞的增殖、生长和凋亡
[59]。其由酪氨酸激酶相关受体、JAKs(JAK1、JAK2、JAK3、Tyk2)和STATs(STAT1‑6)组成
[60],JAK1和JAK2在多种组织中表达,JAK3主要存在于造血和淋巴组织,Tyk2则广泛分布于免疫和非免疫细胞。研究表明,其信号通路与UC病因病机密切相关
[61],JAK‑STAT信号通路主要通过细胞因子(如白细胞介素)与细胞表面受体结合
[62],促使受体二聚化并激活与之相连的JAK酶,激活的JAK酶进一步磷酸化受体和STAT蛋白,使STAT蛋白发生构象变化并形成二聚体,STAT二聚体随后进入细胞核,作为转录因子激活或抑制特定基因的表达,从而调节细胞的生长、分化和凋亡。若JAK‑STAT信号通路紊乱,会导致肠黏膜屏障功能受损、Th17/Treg细胞比例失衡、免疫系统过度活化和炎症反应加剧,最终加重炎症并增加UC发病风险。
4.3 Nrf2信号通路异常活化
研究表明,氧化应激是人体常见生理现象,它涉及活性氧(ROS)的产生
[63]。正常情况下,人体中ROS被抗氧化系统平衡,但失衡时会损害肠道黏膜,增加肠道内炎症因子表达。此时,Nrf2(核因子E2)通路
[64]至关重要,其为抗氧化防御的核心转录因子,平时被Keap1
[65](作为一个E3泛素连接酶促进Nrf2的泛素化和随后的蛋白酶体)束缚并标记降解,当细胞遭遇氧化应激或电亲和压力时,Keap1结构改变,Keap1上的某些半胱氨酸残基会遭受氧化或电亲和修饰,阻止了Nrf2的降解,Nrf2积累并进入细胞核,与Maf蛋白结合,形成复合体,这个复合体能够识别并结合到DNA上的特定序列,激活抗氧化应激元件
[66](ARE),激活抗氧化和抗炎基因(如谷胱甘肽S‑转移酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶),中和ROS,抑制炎症。若Nrf2通路受损,肠道抗氧化防御减弱,炎症因子就会过度产生,抗氧化基因表达也会受阻,从而增加UC感染风险。
5 基于免疫系统异常激活探讨UC的病因病机
5.1 T细胞的迁移
研究表明,人体免疫细胞的异常激活是推动UC病程发展的重要因素之一,尤其是免疫系统中的T细胞
[67],T细胞异常激活会上升感染UC的风险,其迁移过程包括栓系与滚动、激活、黏附和外渗。在栓系与滚动阶段,T细胞通过选择素与内皮细胞糖蛋白相互作用;随后在激活阶段,T细胞通过整合素接收信号;到了黏附阶段,整合素与配体结合实现牢固黏附;最后为外渗阶段,T细胞通过细胞间缝隙迁移到炎症部位
[68]。这一过程中,涉及多种整合素(如α4β7、α4β1、B2整合素)、选择素、趋化因子及其配体或受体。其在T细胞迁移到小肠和结肠中起关键作用,这些分子通过与内皮细胞表面的配体结合,促进T细胞在炎症部位的聚集,从而加剧肠道炎症反应,最后上升感染UC的风险。
5.2 T细胞亚群失衡
研究得出UC患者体内,辅助性T细胞(Th细胞)
[69]亚群的平衡被打破,特别是Th1和Th17细胞的异常激活,以及调节性T细胞(Treg细胞)的调节功能受损,这些因素共同推动了炎症反应的失控。Th1细胞通过分泌IFN‑γ(增强巨噬细胞活性、促进细胞毒性T细胞增殖)、IL‑2(推动T细胞增殖分化)和TNF‑α(促进炎症和细胞死亡)加剧炎症反应,导致肠道组织损伤。Th17细胞
[70]是一类在炎症和自身免疫疾病中重要的辅助性T细胞,主要分泌IL‑17A、IL‑17F、IL‑21和IL‑22等细胞因子,在UC患者中,Th17细胞过度激活与肠道炎症持续加剧密切相关。其中,IL‑17A
[71]和IL‑17F可促进炎症和组织损伤,IL‑21促进T细胞增殖分化,而IL‑22
[72]虽具肠道保护作用,但过度激活会增加肠道对病原体的易感性,进一步加重炎症。
调节性T细胞(Treg细胞)
[73]在维持免疫耐受和抑制过度的免疫反应中发挥着至关重要的作用,它们通过分泌包括IL‑10和TGF‑B(转化生长因子‑B)在内的抗炎细胞因子来抑制炎症。IL‑10具有广泛的抗炎作用,包括抑制炎症细胞的活化和增殖,而TGF‑B则促进免疫耐受,抑制炎症反应。在UC患者中,可能表现为Treg细胞数量减少或功能的减弱,导致它们无法有效地抑制Th1和Th17细胞的过度激活,这种功能缺陷使得炎症反应得不到适当的控制,从而进一步加剧肠道炎症,导致UC患者的症状恶化和疾病进展。
综上所述,UC发病机制极为复杂,是遗传、环境、肠道菌群、信号通路以及免疫紊乱等多因素相互交织的结果,本文创新性地整合多维度视角,深入剖析各因素间的交互关系,为UC研究带来全新突破。在遗传因素中,NOD2、ATG16L1、CARD9、CLEC7A、IL23R、IL‑10和TNFSF15等基因变异,这些变异并非孤立影响 UC,而是通过干扰免疫调节、细胞信号传导以及肠道屏障功能,与其他因素协同增加UC易感性;生活方式、饮食结构以及吸烟等行为,通过影响肠道免疫发育、改变肠道菌群生态,成为UC发病的重要诱因。卫生条件改善虽降低了肠道感染几率,但却可能导致肠道免疫发育不完善,增加患病风险;UC患者肠道菌群失调,抗炎菌减少、促炎菌增多,与肠道屏障功能受损相互作用,加剧炎症;NF‑κB、JAK‑STAT和Nrf2等信号通路异常活化,引发肠道黏膜持续炎症;免疫系统中,T细胞异常激活、亚群失衡和细胞因子紊乱推动炎症反应,Th1/Th17过度激活及Treg功能受损使炎症失控。
尽管UC病因复杂且尚未完全明确,但在不同视角下探讨UC病因,为新疗法提供了新思路。未来可以在这些视角进行更深度的探索:利用基因编辑技术(如CRISPR‑Cas9)修复或调控易感基因(如NOD2),从根本上改变发病机制;改善生活方式、均衡饮食、戒烟限酒、增加膳食纤维摄入,以促进有益菌生长、改善肠道菌群结构,预防UC发生;补充益生菌、粪菌移植、益生元等方法调节肠道菌群,恢复肠道屏障功能,减轻炎症;抑制NF‑κB、JAK‑STAT和Nrf2等信号通路的异常活化,减少炎症基因表达;调节T细胞亚群和细胞因子网络,特别是Th17/Treg比例,恢复免疫平衡。这些研究方向不仅为UC治疗提供了新思路,也为改善患者生活质量带来希望。
作者贡献度说明:
李晨:文章设计与论文撰写;周可丽:补充文章内容;支芸芸、黄雪青、梅蒙玉:资料收集与修改论文格式;牛海燕、任守忠:指导论文攥写、修改与文章审核。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
海南省卫生健康科技创新联合面上项目(WSJK2025MS184)