Struktura a funkce intestinální epiteliální bariéry

Download PDF English version

Authors: P. Polák ^1,2; J. Juránková ^3,4; P. Husa ^1,2
Authors‘ workplace: LF MU Brno ¹; Klinika infekčních chorob FN Brno ²; Katedra laboratorních metod LF MU Brno ³; Oddělení klinické mikrobiologie, FN Brno ⁴
Published in: Gastroent Hepatol 2013; 67(6): 494-497
Category: Clinical and Experimental Gastroenterology: Review Article

Overview

V posledních letech dochází k průlomovým poznatkům týkajícím se ultra-/struktury a funkce intestinální epiteliální bariéry. Současně se ukazuje, jak významná je evolučně získaná schopnost makroorganizmu dynamicky koordinovat spolupráci s komplexním kolonizujícím mikrobiálním ekosystémem pro udržení zdraví a k prevenci onemocnění. K porušení intestinální epiteliální bariéry může docházet při akutních i chronických chorobných stavech primárně infekční i neinfekční etiologie. Předkládaný přehled shrnuje aktuální znalosti o struktuře a funkci intestinální epiteliální bariéry.

Klíčová slova:
intestinální epiteliální bariéra – těsná spojení – infekce

Lidský organizmus je otevřenou živou soustavou v neustálém intenzivním kontaktu s vnějším prostředím. Celková plocha střevního traktu se odhaduje na 250 m² [1]. V lidském organizmu sídlí asi 10¹⁴bakteriálních buněk (asi desetkrát více buněk, než je eukaryotických buněk našeho těla) tvořených zástupci minimálně 1 000 různých druhů [2–4]. Distální část zažívacího traktu člověka představuje jeden z nejkomplexnějších ekosystémů na planetě Zemi [5]. Každý jedinec má jedinečný, relativně stabilní ekosystém. U dětí je střevní mikroflóra variabilnější a méně stálá než u dospělých [6,7]. Je známo, že porušení mikrobiálního ekosystému je v přímé souvislosti s rozvojem některých akutních (např. kolitida způsobená Clostridium difficile, cholera) či chronických stavů (alergie, nespecifické střevní záněty, obezita). Molekulárně-biologický výzkum některých „klasických“ infekčních patogenů (např. Vibrio cholerae) vedl v nedávné době k průlomovým poznatkům, proto je poznání ultrastruktury a funkce intestinální epiteliální bariéry významné pro správné porozumění patofyziologie infekčních onemocnění zažívacího traktu i pro potenciální cílené farmakologické intervence [8]. V následujícím textu jsou diskutovány základní strukturní a funkční aspekty intestinální epiteliální bariéry (IEB).

Základní funkce střevní mikroflóry

Postupně dochází ke změně historického dogmatu: intestinální mikroflóra již není chápána jen jako potenciální hrozba, ale spíše jako nezbytná integrální součást IEB [9]. Dosud známé funkce střevní mikroflóry jsou přehledně vypsány v tab. 1.

Funkce střevní mikroflóry, upraveno dle [8,9].
Tab. 1. The function of the intestinal microflora, adapted from [8,9]. — **Table 1. Funkce střevní mikroflóry, upraveno dle [8,9]. Tab. 1. The function of the intestinal microflora, adapted from [8,9].**

Mastné kyseliny s krátkým řetězcem (např. kyselina butyrová, kyselina propionová a kyselina sukcinová) představují významný zdroj energie pro epitelie tlustého střeva a pro jejich růstovou diferenciaci. Některé komenzální bakterie jsou schopny oslabit prozánětlivou odpověď navozenou jinými, enteropatogenními kmeny [9–12].

Ultra-/struktura intestinální bariéry

Střevní epitel má složitou úlohu vstřebávat různé látky a současně chránit před průnikem škodlivých látek do sterilního prostředí makroorganizmu. Transcelulárně jsou vstřebávány enzymaticky rozštěpené složky potravy; endocytózou jsou vstřebávány jen krátké peptidy a aminokyseliny. Pokud jsou endocytovány celé proteiny, dochází následně k jejich degradaci v lyzozomech. Za normálních okolností není možný transcelulární průnik bakterií (mechanická ochrana hlenové vrstvy) – toto se však mění při zánětu, metabolickém stresu, v důsledku uvolnění faktoru nádorové nekrózy-α (TNFα), při porušené oxidativní fosforylaci v mitochondriích a při hypoxii. Za těchto okolností mohou přes IEB přestupovat patogenní i nepatogenní kmeny bakterií (výjimkou je sběr antigenů buňkami Peyerových plaků). Intestinální bariéra má několik složek, které uvádí tab. 2.

Složky intestinální epiteliální bariéry, upraveno dle [9,10].
Tab. 2. Components of intestinal epithelial barrier, adapted from [9,10]. — **Table 2. Složky intestinální epiteliální bariéry, upraveno dle [9,10]. Tab. 2. Components of intestinal epithelial barrier, adapted from [9,10].**

V dalším textu je podrobněji popsána mechanická a imunologická funkce IEB.

a) Mechanická složka intestinální epiteliální bariéry

Střevní sliznice sestává z lamina propria a z jedné vrstvy polarizovaných epiteliálních buněk spojených apikálním junkčním komplexem (apical junctional complex – AJC). Enterocyty se tvoří z kmenových buněk umístěných na dně krypt mezi jednotlivými klky – po jejich dělení migrují nově vznikající enterocyty směrem apikálně (tzv. kryptovilózní osa), kde nahrazují buňky podléhající apoptóze v tzv. extruzní zóně. Z těchto kmenových buněk se současně tvoří i Panethovy buňky (součást vrozeného imunitního systému), pohárkové buňky (tvorba mucinu) a enteroendokrinní buňky. Extruze a fyziologicky probíhající apoptóza nevedou k porušení bariérové funkce epitelu, protože i TJ se dynamicky tvoří, přeskupují a mění svou funkci dle aktuální potřeb [9,10,13,14]. Základní funkcí této mechanické bariéry je zabránit paracelulárnímu průniku molekul obsažených ve střevním lumen [14].

Struktura a funkce těsných spojení (tight junctions)

Apikální junkční komplex (AJC) sestává z tzv. těsných spojení (tight junctions – TJ) na luminální straně bariéry, na které naléhají adherenční/apikální junkce (AJ). Těsná spojení brání influxu mikrobů a jejich toxinů, antigenů, enzymů i degradovaných složek potravy. Na molekulární úrovni jsou těsná spojení svými proteiny (klaudin, occludin, junkční adhezní molekula A [JAM] a tricelulin) zakotvena do aktinomyozinové intracelulární sítě pomocí perijunkčního prstence. Dynamická interakce s cytoskeletem buňky určuje soudržnost i plasticitu AJC během morfogeneze i v nemoci. V různých tkáních se liší složení, struktura i počet TJ [15–17]. Některé typy klaudinu představují receptory pro bakteriální enterotoxiny (např. klaudin 3 a 4 pro enterotoxiny Clostridium perfringens). TJ ovlivňují polaritu apikální a bazolaterální membrány, působí jako senzor pro extracelulární signály a jejich extracelulární komponenta funguje jako multidynamická liganda jak pro homofilní molekuly (occludin, JAM), tak pro heterofilní molekuly (klaudin). Je zajímavé, že dendritické buňky (patřící mezi tzv. antigen prezentující buňky) vysílají i za fyziologických okolností své dendrity exprimující proteiny TJ (occludin, klaudin 1 a ZO-1) ze subepiteliálního prostoru do štěrbin mezi epiteliálními buňkami za účelem sběru antigenů ve střevním lumen, a to aniž by docházelo k porušení integrity IEB [15,18,19].

U nespecifických střevních zánětů i u intolerance lepku (celiakie) byl popsán fenomén tzv. epiteliálně-mezenchymální tranzice: změna polarizace buněk se zvýšenou endocytózou endoluminálních antigenů a redistribuce proteinů TJ [16]. V důsledku invaze patogenů, metabolického stresu či expozice některým lékům (např. nesteroidním antiflogistikům) dochází k poruše dynamické rovnováhy IEB. Střevní epiteliální buňky pak produkují i prozánětlivé cytokiny a reaktivní formy kyslíku, což vede k otevření paracelulárních TJ a k aktivaci subepiteliálních imunitních buněk [13,24–26].

b) Imunologická složka intestinální epiteliální bariéry

V současnosti se intestinální epiteliální vrstva považuje za aktivní součást vrozené imunity. Antimikrobiální peptidy (AMPs) produkované enterocyty jsou malé kationické molekuly se širokým spektrem účinku proti grampozitivním i gramnegativním bakteriím, houbám i kvasinkám. Patří mezi ně defenziny (vylučované z granul Panethových buněk) a AMPs související s katelicidinem (cathelicidin-related AMPs) z epiteliálních buněk. Tyto látky mají velmi významný vliv na utváření a dynamiku intestinální mikroflóry již od časného postpartálního stadia ontogeneze. Obdobnou aktivitu má i sekreční IgA – komenzální bakterie jsou kryty pláštěm vysoce specifického sIgA (v anglosaské literatuře tzv. „bacterial coating“), který je chrání před likvidací imunitními buňkami [3,5,8–10,14].

Imunologická složka IEB inhibuje bakteriální adhezi, neutralizuje viry a toxiny, může pohltit některé antigeny schopné navodit systémovou zánětlivou reakci a je schopna aktivovat C3 složku komplementu [20]. Na toleranci fyziologické mikroflóry se za normálních okolností podílí i záměrně oslabená produkce prozánětlivých cytokinů makrofágy v lamina propria střeva po stimulaci lipopolysacharidem (tyto buňky exprimují buněčné znaky CD14 a Toll-like receptory 4, TLR4) [13].

Imunosenzorická funkce střeva

V posledních letech přibývá důkazů, že střevo patří mezi základní imunitně aktivní orgány lidského organizmu. Přehled imunosenzorických buněk přítomných ve střevě podává tab. 3.

Imunosenzorické buňky střeva, upraveno dle [9].
Tab. 3. Immuno-sensory cells of the intestine, adapted from [9]. — **Table 3. Imunosenzorické buňky střeva, upraveno dle [9]. Tab. 3. Immuno-sensory cells of the intestine, adapted from [9].**

Imunitní rozpoznávání

Střevní imunosenzorické buňky jsou vybaveny dvěma skupinami receptorů rozpoznávajících patogeny (pathogen recognition receptors – PRR): toll-like receptory (TLR) a receptory označovanými NOD/CARD (nucleotide oligomerization domain/caspase activation and recruitment domain). TLR slouží k rozpoznávání antigenů v extracelulárním nebo endozomálním kompartmentu. NOD-like receptory jsou umístěny v buněčné cytoplazmě a slouží k řízení prozánětlivých a proapoptotických procesů. Rozličná buněčně-specifická exprese TLR, rozmístění TLR na membránách a jejich signální dráhy umožňují klasickým i neklasickým buňkám imunitního systému kódovat jedinečný typ odpovědi na extrémní množství mikrobiálních a endogenních ligand [19–21]. Před rozvojem chronického zánětu brání fyziologicky nízká konstitutivní míra exprese TLR buňkami imunitního systému.

Bylo prokázáno, že mutace vedoucí ke kombinované poruše funkce TLR4 a NOD2 predisponuje kriticky nemocné k těžkému průběhu onemocnění a k úmrtí [19,21,23].

Nejčastější akutní a chronické stavy související s porušenou strukturální i funkční integritou intestinální epiteliální bariéry jsou shrnuty v tab. 4 [25,26].

Chorobné stavy související s porušenou intestinální epiteliální bariérou.
Tab. 4. Pathological conditions associated with impaired intestinal epithelial barrier. — **Table 4. Chorobné stavy související s porušenou intestinální epiteliální bariérou. Tab. 4. Pathological conditions associated with impaired intestinal epithelial barrier.**

Závěr

Současný výzkum se intenzivně věnuje hlubšímu poznání struktury i funkce intestinální epiteliální bariéry ve zdraví i nemoci a vzájemné interakci s komplexním mikrobiálním ekosystémem makroorganizmu. V budoucnu lze očekávat vývoj specifických terapeutických (i nutričních) nástrojů ať již k prevenci infekčních onemocnění nebo k cílené fortifikaci intestinální epiteliální bariéry během akutních i chronických onemocnění.

Podpořeno MZ ČR – RVO (FNBr, 65269705).

Autoři deklarují, že v souvislosti s předmětem studie nemají žádné komerční zájmy.

Redakční rada potvrzuje, že rukopis práce splnil ICMJE kritéria pro publikace zasílané do biomedicínských časopisů.

Doručeno: 8. 8. 2013

Přijato: 18. 11. 2013

MUDr. Pavel Polák

Klinika infekčních chorob FN Brno

Jihlavská 20, 625 00 Brno

pavel.polak@fnbrno.cz

Sources

1. Selleri S, Palazzo M, Deola S et al. Induction of pro-inflammatory programs in enteroendocrine cells by the Toll-like receptor agonists flagellin and bacterial LPS. Int Immunol 2008; 20(8): 961–970.

2. Boroni Moreira AP, de Cássia Gonçalves Alfenas R. The influence of endotoxemia on the molecular mechanisms of insulin resistance. Nutr Hosp 2012; 27(2): 382–390.

3. Cho I, Blaser MJ. The human microbiome: at the interface of health and disease. Nat Rev Genet 2012; 13(4): 260–270.

4. Dethlefsen L, Relman DA. Incomplete recovery and individualized responses of the human distal gut microbiota to repeated antibiotic perturbation. Proc Natl Acad Sci USA 2011; 108 (Suppl 1): 4554–4561.

5. Korecka A, Arulampalam V. The gut microbiome: scourge, sentinel or spectator? J Oral Microbiol 2012; doi: 10.3402/jom.v4i0.9367.

6. Palmer C, Bik EM, DiGiulio DB et al. Development of the human infant intestinal microbiota. PLoS Biol 2007; 5(7): e177.

7. Clarke TB, Francella N, Huegel A et al. Invasive bacterial pathogens exploit TLR-mediated downregulation of tight junction components to facilitate translocation across the epithelium. Cell Host Microbe 2011; 9(5): 404–414.

8. O´Hara AM, Shanahan F. The gut flora as a forgotten organ. EMBO Rep 2006; 7(7): 688–693.

9. deFoneska A, Kaunitz JD. Gastroduodenal mucosal defense. Curr Opin Gastroenterol 2010; 26(6): 604–610.

10. Yu LC, Wang JT, Wei SC et al. Host-microbial interactions and regulation of intestinal epithelial barrier function: From physiology to pathology. World J Gastrointest Pathophysiol 2012; 3(1): 27–43.

11. Lata J, Juránková J. Střevní mikroflóra, slizniční bariéra a probiotika u některých interních chorob. Med Pro Prax 2012; 9(3): 106–112.

12. Tlaskalová H. Střevní imunitní systém a komensální bakterie. Medical tribune 2008; 4(11): A5.

13. Derikx JP, Luyer MD, Heineman E et al. Non-invasive markers of gut wall integrity in health and disease. World J Gastroenterol 2010; 16(42): 5272–5279.

14. Assimakopoulos SF, Papageorgiou I, Charonis A. Enterocytes’ tight junctions: From molecules to diseases. World J Gastrointest Pathophysiol 2011; 2(6): 123–137.

15. Vaziri ND, Goshtasbi N, Yuan J et al. Uremic plasma impairs barrier function and depletes the tight junction protein constituents of intestinal epithelium. Am J Nephrol 2012; 36(5): 438–443.

16. Hering NA, Fromm M, Schulzke JD. Determinants of colonic barrier function in inflammatory bowel disease and potential therapeutics. J Physiol 2012; 590(5): 1035–1044.

17. Baranwal S, Naydenov NG, Harris G et al. Nonredundant roles of cytoplasmic β- and γ-actin isoforms in regulation of epithelial apical junctions. Mol Biol Cell 2012; 23(18): 3542–3553.

18. Weber CR. Dynamic properties of the tight junction barier. Ann N Y Acad Sci 2012; 1257: 77–84.

19. Cunningham KE, Turner JR. Myosin light chain kinase: pulling the strings of epithelial tight junction function. Ann N Y Acad Sci 2012; 1258: 34–42.

20. Song DH, Lee JO. Sensing of microbial molecular patterns by Toll-like receptors. Immunol Rev 2012; 250(1): 216–229.

21. Scirocco A, Matarrese P, Petitta C et al. Exposure of Toll-like receptors 4 to bacterial lipopolysaccharide (LPS) impairs human colonic smooth muscle cell function. J Cell Physiol 2010; 223(2): 442–450.

22. Chan KL, Wong KF, Luk JM. Role of LPS/CD14/TLR4-mediated inflammation in necrotizing enterocolitis: pathogenesis and therapeutic implications. World J Gastroenterol 2009; 15(38): 4745–4752.

23. Fasano A. Zonulin and its regulation of intestinal barrier function: the biological door to inflammation, autoimmunity, and cancer. Physiol Rev 2011; 91(1): 151–175.

24. Pinzone MR, Celesia BM, Di Rosa M et al. Microbial translocation in chronic liver diseases. Int J Microbiol 2012; doi: 10.1155/2012/694629.

25. Al-Sadi R, Khatib K, Guo S et al. Occludin regulates macromolecule flux across the intestinal epithelial tight junction barrier. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2011; 300(6): G1054–G1064.

26. Wang F, Jiang H, Shi K et al. Gut bacterial translocation is associated with microinflammation in end-stage renal disease patients. Nephrology (Carlton) 2012; 17(8): 733–738.