eISSN: 1897-4317
ISSN: 1895-5770
Gastroenterology Review/Przegląd Gastroenterologiczny
Current issue Archive Manuscripts accepted About the journal Editorial board Abstracting and indexing Subscription Contact Instructions for authors Ethical standards and procedures
Editorial System
Submit your Manuscript
SCImago Journal & Country Rank
2/2010
vol. 5
 
Share:
Share:
Review paper

Intestinal barrier disfunction and endotoxemia – links in the inflammatory cascade in alcoholic liver disease

Beata Kasztelan-Szczerbińska
,
Maria Słomka
,
Krzysztof Celiński

Przegląd Gastroenterologiczny 2010; 5 (2): 77–82
Online publish date: 2010/05/12
Article file
- Dysfunkcja bariery.pdf  [0.11 MB]
Get citation
 
PlumX metrics:
 
Wstęp
Śmiertelność z powodu alkoholowej choroby wątroby (AChW) w USA i w krajach Europy Zachodniej oszacowano na ok. 5–6%, co sprawia, że zajmuje ona 9. miejsce wśród najczęstszych przyczyn zgonów w tej populacji [1]. Średnie spożycie alkoholu przez dorosłego Europejczyka w 2005 r. wynosiło 11 l, a w Polsce, gdzie nadużywanie alkoholu osiągnęło status choroby społecznej, 9,5 l [2]. Kryteria uzależnienia od alkoholu spełnia ok. 2% dorosłych Polaków [3]. Prawie u wszystkich nadużywających alkoholu pacjentów rozwija się stłuszczenie wątroby, jednak tylko u 10–35% stwierdza się alkoholowe zapalenie wątroby, a progresję do marskości obserwuje się u ok. 8–20% chorych [1, 2].
Analiza danych epidemiologicznych pozwala przypuszczać, że poza nadmiernym spożyciem alkoholu również inne czynniki muszą odgrywać rolę w patogenezie tego schorzenia. Wyniki badań z ostatnich lat wskazują, że etanol, jego metabolity oraz lipopolisacharydy (LPS) bakterii jelitowych wspólnie mogą mieć kluczowe znaczenie dla wystąpienia i rozwoju tej choroby. W piśmiennictwie medycznym istnieje już sporo dowodów na to, że destrukcja bariery jelitowej i endotoksemia stanowią istotny kofaktor w inicjacji i prawdopodobnie również progresji AChW [4–7]. Wyniki badań eksperymentalnych wskazują, że skojarzone oddziaływanie etanolu i endotoksyn uszkadza wątrobę w większym stopniu niż każda z tych substancji osobno [8]. Oznaczenia stężenia endotoksyn we krwi osób z AChW wykazały, że 5–20 razy przewyższa ono poziom obserwowany u zdrowych osobników [9, 10].

Źródło endotoksemii u osób z alkoholową chorobą wątroby
Endotoksyny to LPS pochodzące ze ściany komórkowej bakterii Gram-ujemnych. W skład krążących endotoksyn wchodzą zarówno obumarłe bakterie, jak i LPS ścian komórkowych bakterii żywych. W normalnych warunkach absorpcja endotoksyn jest regulowana przez sprawnie działającą barierę śluzówkową jelit i tylko niewielka ich ilość przenika do krwi wrotnej [4, 6]. Klirens LPS z krwi odbywa się przy udziale komórek śródbłonka zatok wątrobowych (liver sinusoida endothelial cells – LSEC), które stanowią pierwszą linię obrony przed szkodliwymi cząsteczkami napływającymi z przewodu pokarmowego [11]. Komórki śródbłonka zatok wątrobowych są odpowiedzialne za usuwanie z krążenia drogą endocytozy rozpuszczalnych makromolekuł i substancji koloidowych (cząsteczek mniejszych niż 100 nm), podczas gdy komórki Kupffera (Kupffer cells – KC) – rezydujące w wątrobie makrofagi – odpowiadają za eliminację nierozpuszczalnych molekuł drogą fagocytozy [12]. W fizjologicznych warunkach zarówno KC, jak i LSEC uczestniczą w regulacji stężenia LPS w wątrobie i utrzymują reakcje zapalne na minimalnym poziomie. Konsumpcja alkoholu zaburza funkcjonowanie i szczelność bariery jelitowej, zwiększając dowóz LPS do wątroby, co przerywa stan homeostazy. Zwiększenie stężenia endotoksyny we krwi pod wpływem ekspozycji na etanol mogą nasilać trzy czynniki:
1) przerost bakterii jelitowych – u alkoholików stwierdzono zwiększoną liczbę mikroorganizmów w aspiratach z jelita cienkiego w porównaniu z osobami zdrowymi; wykazano, że etanol spowalnia motorykę żołądkowo-jelitową, a to sprzyja przerostowi bakterii w świetle przewodu pokarmowego [6, 13];
2) dysfunkcja bariery śluzówkowej jelit – wyniki badań wskazują, że konsumpcja alkoholu zwiększa przepuszczalność błony śluzowej jelit w stosunku do makromolekuł zarówno u alkoholików, jak i u zdrowych osobników [7, 10];
3) zmniejszony klirens endotoksyn z krwi – etanol upośledza czynność fagocytarną KC i zmniejsza wychwyt endotoksyn z krwi, nasilając ich przeciek do krążenia systemowego [4, 14].
Gdy dowóz endotoksyn przewyższa zdolność do ich usunięcia, dochodzi do: 1) lokalnej aktywacji KC [14], 2) upośledzenia funkcji oczyszczającej, wzmożonej ekspresji molekuł włóknienia (fibronektyna) i nasilonej apoptozy LSEC [5] oraz 3) zwiększenia poziomu endotoksyn w krążeniu systemowym [negatywnie oddziałuje na inne narządy: zapalenie trzustki, zespół ostrej niewydolności oddechowej dorosłych (acute respiratory distress syndrome – ARDS), uszkodzenie mózgu] [6].
U przewlekle nadużywających alkoholu pacjentów z AChW wzrost przepuszczalności bariery jelitowej (leaky gut syndrome, leaky intestine) utrzymuje się długo, nawet do 2 tyg. po jego odstawieniu. U zdrowych osobników i alkoholików bez AChW dysfunkcja ma charakter przejściowy [6].
Udział endotoksemii w patogenezie AChW przedstawiono na rycinach 1. i 2.

Mechanizm uszkodzenia bariery jelitowej przez aldehyd octowy
Mikroflora jelit odgrywa istotną rolę w powstawaniu i akumulacji aldehydu octowego w świetle okrężnicy.
Z obserwacji uzyskanych w warunkach doświadczalnych wynika, że sam etanol prawdopodobnie bezpośrednio negatywnie nie wpływa na barierę jelitową.
W warunkach in vitro do upośledzenia bariery jelitowej było potrzebne jego stężenie ponad 1% [4]. Tak duże stężenie alkoholu nie zdarza się w dystalnym odcinku przewodu pokarmowego, nawet u alkoholików.
Wyniki badań sugerują, że kluczową rolę w zaburzeniach bariery jelitowej odgrywa aldehyd octowy. Dysfunkcję taką wykazano w błonie śluzowej okrężnicy ludzkiej [15]. Wydaje się, że rozkład etanolu do aldehydu octowego w obrębie światła jelita grubego jest niezbędnym warunkiem do przerwania bariery jelitowej. Głównym źródłem aldehydu octowego w tym obszarze są przemiany metaboliczne generowane przy udziale dehydrogenazy bakterii jelitowych, mimo że komórki nabłonka jelitowego również wykazują ekspresję tego enzymu [4, 16]. Do akumulacji acetaldehydu w świetle jelit dochodzi w wyniku niewielkiej zdolności jego dalszego rozkładu do kwasu octowego przez mikroflorę przewodu pokarmowego. Zastosowanie antybiotyku częściowo zmniejsza stężenie jelitowego acetaldehydu, co potwierdza rolę mikroflory jelitowej w wytwarzaniu tego związku w świetle przewodu pokarmowego. Dwunastodniowa antybiotykoterapia redukowała przepuszczalność bariery jelitowej wyindukowaną u szczurów etanolem. Równolegle obserwowano zmniejszenie endotoksemii [17].

Molekularny mechanizm dysfunkcji bariery jelitowej
Molekularny mechanizm uszkodzenia bariery jelitowej przez aldehyd octowy jest złożony. Przerwaniu ulegają ścisłe łącza komórkowe (tight junctions – TJ) oraz połączenia przylegające (adherens junctions – AJ). Każdy typ połączeń ma specyficzne komponenty białkowe. Należą do nich białka przezbłonowe: typowe dla połączeń ścisłych (TJ) – okludyna, klaudyna; typowe dla połączeń przylegających (AJ) – kadheryna oraz tzw. białka peryferyjne reprezentowane przez białka strefy zamykającej (zonula occludens-1, czyli ZO-1, głównie w ścisłych łączach komórkowych TJ); oraz kateniny (w połączeniach przylegających, AJ). Ta ostatnia grupa białek peryferyjnych pozostaje w związku z mikrofilamentami aktynowymi cytoszkieletu komórki [18, 19].
Łącza komórkowe to wyspecjalizowane kompleksy połączeń międzykomórkowych, które tworzą barierę dla dyfuzji makromolekuł, natomiast AJ są zlokalizowane poniżej TJ i nie stanowią fizycznej bariery dla dyfuzji makromolekuł. Połączenia przylegające w sposób pośredni regulują integralność TJ i dlatego wpływają na funkcję bariery nabłonka. Zarówno TJ, jak i AJ są regulowane poprzez transdukcję sygnałów wewnątrzkomórkowych. Aldehyd octowy zmniejsza aktywność fosfa-tazy tyrozynowej i zwiększa fosforylację tyrozyny w połączeniach TJ i AJ. Prowadzi to do dysocjacji białek od cytoszkieletu aktynowego oraz redystrybucji E-kadheryny i -kateniny w połączeniach międzykomórkowych i w pierwszym rzędzie zaburza integralność AJ. Zmiany te prawdopodobnie stanowią sygnał do przerwania TJ. Dezintegrację połączeń TJ i AJ pod wpływem aldehydu octowego w biopunktatach błony śluzowej jelita grubego ludzi opisali Basuroy i wsp. [15].
Alkohol może zwiększać przepuszczalność jelitową również poprzez nasilanie ekspresji indukowanej syntazy tlenku azotu (inducible nitric oxide synthase – iNOS). W badaniach na ludzkich liniach komórkowych Caco-2 stwierdzono wzmożoną syntezę tlenku azotu (NO) oraz wolnego rodnika nadtlenkowego [6, 20]. Towarzyszył temu zwiększony stopień nitrowania i utleniania tubuliny oraz uszkodzenie mikrotubul cytoszkieletu komórek. Wyniki badań sugerują, że NO i wolny rodnik nadtlenkowy, wytwarzane po ekspozycji na etanol, mogą reagować ze sobą i tworzyć anion nadtlenoazotynu (ONOO–), który ostatecznie upośledza funkcję bariery jelitowej. Podanie inhibitora iNOS lub zmiatacza wolnych rodników (L-cysteina) zmniejszało uszkodzenia generowane alkoholem [6].

Profilaktyka zaburzeń bariery śluzówkowej po ekspozycji na etanol
W badaniach doświadczalnych zidentyfikowano kilka czynników, które zapobiegają uszkodzeniom bariery jelitowej przez alkohol i budzą nadzieję na możliwość potencjalnego ich wykorzystania w strategii terapeutycznej AChW. Należą do nich: epidermalny czynnik wzrostu (epidermal growth factor – EGF), L-glutamina, płatki owsiane, cynk i probiotyki.
Epidermalny czynnik wzrostu uwalniany w ślinie i innych wydzielinach przewodu pokarmowego chroni integralność błony śluzowej. Wykazano, że EGF zapobiega uszkodzeniom TJ pod wpływem acetaldehydu poprzez stabilizację cytoszkieletu aktynowego oraz przeciwdziałanie dysocjacji białek TJ i AJ za pośrednictwem supresji aktywności enzymu iNOS [21].
L-glutamina stanowi podstawowy składnik odżywczy dla wzrostu i różnicowania się komórek nabłonka jelit. Jej ochronne działanie wynika z przeciwdziałania redystrybucji białek (okludyny, ZO-1, E-kadheryny, -kateniny) połączeń międzykomórkowych pod wpływem aldehydu octowego. Efekt ten L-glutamina wywiera za pośrednictwem receptora EGF. Ochronne działanie tego związku wykazano również w błonie śluzowej jelita grubego ludzi [15, 22].
Wyniki przeprowadzonych badań wykazały również, że suplementacja cynku oraz podaż płatków owsianych redukują uszkodzenie wątroby w połączeniu ze zmniejszeniem wyindukowanej etanolem przepuszczalności bariery jelitowej i endotoksemii [4, 6, 23]. Mechanizm działania powyższych czynników pozostaje w sferze badań.
Ochronną rolę probiotyków (Lactobacillus GG, Bifidobacteria) zaobserwowano w alkoholowym uszkodzeniu wątroby w modelu zwierzęcym. Mechanizm tego działania może wiązać się z hamowaniem przez probiotyki wzrostu bakterii jelitowych, co wtórnie przeciwdziała destrukcji bariery jelitowej i endotoksemii. Stwierdzono ponadto, że Lactobacillus rhamnosus GG ma zdolność metabolizowania aldehydu octowego do kwasu octowego. Probiotyki mogą więc zmniejszać ilość toksycznego dla nabłonka jelitowego aldehydu octowego dwutorowo: 1) poprzez redukcję źródła jego wytwarzania (bakterii jelitowych) oraz 2) poprzez metabolizowanie aldehydu octowego do kwasu octowego. Doniesienia te wymagają potwierdzenia w kolejnych badaniach [4, 6, 24].

Rola endotoksemii w patogenezie alkoholowej choroby wątroby
Endotoksemia wywołuje uszkodzenie wątroby poprzez aktywację KC i inicjację ich profibrogennych i prozapalnych efektów [4–6]. Ekspozycja na etanol zwiększa stężenie LPS we krwi wrotnej. W krwiobiegu LPS łączą się z osoczowym białkiem transportującym (lipopolysaccharide binding protein – LBP) i docierają do wątroby. Do aktywacji KC dochodzi w wyniku interakcji kompleksu LPS–LBP z receptorami błony komórkowej – powierzchniowym CD14 i przezbłonowym TLR4 [4, 6, 14]. Białko CD14 mające wysokie powinowactwo do endotoksyny pośredniczy w rozpoznaniu LPS przez TLR4. TLR4 jest receptorem zaangażowanym w rozpoznawanie endotoksyn bakterii Gram-ujemnych. W odróżnieniu od białka CD14, TLR4 zawiera przezbłonową domenę sygnałową, która umożliwia transdukcję sygnału i aktywację jądrowego czynnika transkrypcyjnego (nuclear factor B – NFB). W następstwie tej sygnalizacji dochodzi do intensywnej syntezy wolnych rodników tlenowych, chemokin i cytokin prozapalnych (głównie TNF- i TGF-1) [6, 14]. Rezultatem swoistej identyfikacji LPS przez KC jest rozwój kaskady zapalnej w wątrobie, tzn. wybiórcza aktywacja i gromadzenie komórek układu immunologicznego w celu skutecznego usunięcia obcej cząsteczki. Wydaje się, że przewlekła ekspozycja na etanol – w odróżnieniu od ekspozycji ostrej – zwiększa wrażliwość KC na stymulację LPS i dodatkowo wzmaga produkcję cytokin prozapalnych. Stwierdzono również zwiększoną ekspresję CD14, co może sprzyjać tym efektom [25].
Aktywowane przez LPS KC, w wyniku zwiększonej syntezy TGF-1, mogą pośredniczyć w aktywacji i proliferacji komórek gwiaździstych wątroby (hepatic stellatae cells – HSC) – kluczowego regulatora procesu włóknienia wątroby. Efektem aktywacji HSC jest w dalszej kolejności wzmożona synteza kolagenu i białek macierzy międzykomórkowej oraz włóknienie wątroby [26].
Stymulowana intensywną produkcją cytokin rekrutacja i napływ do wątroby komórek zapalnych z krążenia obwodowego potęgują uszkodzenie hepatocytów i zwrotnie podtrzymują proces aktywacji HSC. W taki sposób przewlekła konsumpcja alkoholu może prowadzić do marskości wątroby i wszelkich jej negatywnych skutków klinicznych (krwotoki z żylaków przełyku, encefalopatia wątrobowa, wodobrzusze).
W podsumowaniu należy stwierdzić, że:
1) konsumpcja alkoholu prowadzi do przerwania bariery jelitowej oraz endotoksemii – istotnego ogniwa kaskady zapalnej w patogenezie AChW,
2) dehydrogenaza bakterii jelitowych jest głównym źródłem syntezy i akumulacji toksycznego dla nabłonka jelit aldehydu octowego w świetle przewodu pokarmowego,
3) molekularny mechanizm uszkodzenia bariery jelitowej przez aldehyd octowy opiera się na procesach: fosforylacji i destrukcji TJ i AJ oraz nitrowania i utleniania tubuliny, a w konsekwencji uszkodzenia cytoszkieletu komórek,
4) wyniki badań doświadczalnych wskazują, że redukcję endotoksemii w AChW można uzyskać poprzez zastosowanie probiotyków (Lactobacillus GG, Bifidobacteria), L-glutaminy, EGF, podaż płatków owsianych lub suplementację cynku,
5) aktywowane przez LPS KC stanowią istotny element w inicjacji i/lub progresji AChW.

Piśmiennictwo
1. Vidali M, Stewart SF, Albano E. Interplay between oxidative stress and immunity in the progression of alcohol-mediated liver injury. Trends Mol Med 2008; 14: 63-71.
2. Hartleb M, Czech E. Alkoholowa choroba wątroby. Przegl Gastroenterol 2007; 2: 92-100.
3. Profilaktyka i rozwiązywanie problemów alkoholowych w sa­mo­rzą­dach lokalnych. Zestawienia statystyczne. Wydaw­nictwo Edukacyjne PARPA, Warszawa 2006.
4. Rao R. Endotoxemia and gut barrier dysfunction in alcoholic liver disease. Hepatology 2009; 50: 638-44.
5. Schaffert CS, Duryee MJ, Hunter CD, et al. Alcohol metabolites and lipopolysaccharide: roles in the development and/or progression of alcoholic liver disease. World J Gastroenterol 2009; 15: 1209-18.
6. Purohit V, Bode JC, Bode C, et al. Alcohol, intestinal bacterial growth, intestinal permeability to endotoxin, and medical consequences: summary of a symposium. Acohol 2008; 42: 349-61.
7. Keshavarzian A, Farhadi A, Forsyth CB, et al. Evidence that chronic alcohol exposure promotes intestinal oxidative stress, intestinal hyperpermeability and endotoxemia prior to development of alcoholic steatohepatitis in rats. J Hepatol 2009; 50: 538-47.
8. Lambert JC, Zhou Z, Wang L, et al. Prevention of alteration in intestinal permeability is involved in zinc inhibition of acute etanol- induced liver damage in mice. J Pharmacol Exp Ther 2003; 305: 880-6.
9. Fujimoto M, Uemura M, Nakatani Y, et al. Plasma endotoxin and serum cytokine levels in patients with alcoholic hepatitis: relation to severity of liver disturbance. Alcohol Clin Exp Res 2000; 24: 48S-54S.
10. Parlesak A, Schäfer C, Schütz T, et al. Increased intestinal permeability to macromolecules and endotoxemia in patients with chronic alcohol abuse in different stages of alcohol-induced liver disease. J Hepatol 2000; 32: 742-47.
11. Knolle PA, Limmer A. Control of immune responses by savenger liver endothelial cells. Swiss Med Wkly 2003; 133: 501-6.
12. Gao B, Jeong WI, Tian Z. Liver: an organ with predominant innate immunity. Hepatology 2008; 47: 729-36.
13. Bode C, Kolepke R, Schäfer K, Bode JC. Breath hydrogen excretion in patients with alcoholic liver disease – evidence of small intestinal bacterial overgrowth. Z Gastroenterol 1993; 31: 3-7.
14. Hines IN, Wheeler MD. Recent advances in alcoholic liver disease III. Role of the innate immune response in alcoholic hepatitis. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2004; 287: 310-4.
15. Basuroy S, Sheth P, Mansbach CM, Rao RK. Acetaldehyde disrupts tight junctions and adherens junctions in human colonic mucosa: protection by EGF and L-glutamine. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2005; 289: G367-75.
16. Salaspuro M. Bacteriocolonic pathway for ethanol oxidation: characteristics and implications. Ann Med 1996; 28: 195-200.
17. Ferrier L, Berard F, Debrauwer L, et al. Impairment of the intestinal barrier by ethanol involves enteric microflora and mast cell activation in rodents. Am J Pathol 2006; 168: 1148-54.
18. Hartsock AW, Nelson JW. Adherens and tight junctions: structure, function and connections to the actin cytoskeleton. Biochim Biophys Acta 2008; 1778: 660-9.
19. Miyoshi J, Takai Y. Structural and functional associations of apical junctions with cytoskeleton. Biochim Biophys Acta 2008; 1778: 670-91.
20. Tang Y, Forsyth CB, Farhadi A, et al. Nitric oxide-mediated intestinal injury is required for alcohol-induced gut leakiness and liver damage. Alcohol Clin Exp Res 2009; 33: 1220-30.
21. Sheth P, Seth A, Thangavel M, et al. Epidermal growth factor prevents acetaldehyde-induced paracellular permeability in Caco-2 cell monolayer. Alcohol Clin Exp Res 2004; 28: 797-804.
22. Seth A, Basuroy S, Sheth P, et al. L-Glutamine ameliorates acetaldehyde-induced increase in paracellular permeability in Caco-2 cell monolayer. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2004; 287: G510-7.
23. Tang Y, Forsyth CB, Banan A, et al. Oats supplementation prevents alcohol-induced gut leakiness in rats by preventing alcohol-induced oxidative tissue damage. J Pharmacol Exp Ther 2009; 329: 952-8.
24. Forsyth CB, Farhadi A, Jakate SM, et al. Lactobacillus GG treatment ameliorates alcohol-induced intestinal oxidative stress, gut leakiness, and liver injury in a rat model of alcoholic steatohepatitis. Alcohol 2009; 43: 163-72.
25. Yin M, Bradford BU, Wheeler MD, et al. Reduced early alcohol-induced liver injury in CD14-deficient mice. J Immunol 2001; 166: 4737-42.
26. Kasztelan-Szczerbińska B, Słomka M, Daniluk J i wsp. Komórki gwiaździste jako główny regulator sygnalizacji międzyko­mórkowej w procesie włóknienia wątroby. Postępy Nauk Medycznych 2010; 23: 68-73.
Copyright: © 2010 Termedia Sp. z o. o. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0) License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/), allowing third parties to copy and redistribute the material in any medium or format and to remix, transform, and build upon the material, provided the original work is properly cited and states its license.
Quick links
© 2024 Termedia Sp. z o.o.
Developed by Bentus.