消化道组织结构特点

消化(digestion)是指食物中所含的营养物质在消化道内被分解为可吸收的小分子物质的过程。消化道对食物的消化有机械性消化(mechanic digestion)和化学性消化(chemical digestion)两种方式。

吸收(absorption)是指食物经消化后形成的小分子物质以及维生素、无机盐和水通过消化道黏膜上皮细胞进入血液和淋巴的过程。

食物的消化吸收有赖于完整、功能正常的消化道组织结构。

一、消化道平滑肌

胃肠道除首尾两端即食管上端的肌肉和肛门外括约肌是骨骼肌外,其余部分均由平滑肌组成。在平滑肌细胞之间存在缝隙连接,可使电信号在细胞间传递。平滑肌的舒缩活动与食物的消化、吸收过程密切相关。

(一)消化道平滑肌的生理特性

平滑肌除具有兴奋性、传导性和收缩性等肌肉组织的共同特性外,富有紧张性可经常保持一种微弱的持续收缩状态,在此基础上进行不同形式的运动;具有伸展性可容受食物的储存;能缓慢不规则地节律性收缩可完成食物的输送;其对温度变化、化学和牵张刺激的敏感性较高,对切割、烧灼及电刺激等不敏感。

(二)消化道平滑肌的电生理

消化道平滑肌与其他可兴奋组织一样,也有生物电活动。主要有3种电变化:静息电位、慢波和动作电位。肌肉收缩与慢波、动作电位之间是紧密联系的。

1.静息电位 电位较低,不稳定,波动较大。在静息状态下,消化道平滑肌正常的静息电位为-60～-50m V。

2.慢波 频率较慢,可决定消化道平滑肌的收缩节律,又称基本电节律(basic electric rhythm,BER)。消化道平滑肌在静息膜电位基础上,可自发地周期性地产生去极化和复极化,形成缓慢的节律性电位波动。慢波的幅度为5～15m V,持续时间为数秒至十几秒。慢波的频率变动在每分钟3～12次,胃平滑肌的慢波频率为每分钟3次,十二指肠为每分钟11～12次,回肠末端为每分钟8～9次。

Cajal间质细胞(interstitial cell of Cajal,ICC)是广泛存在于胃体、胃窦及幽门部的环行肌和纵行肌交界处的间质细胞,ICC目前被认为是节律性慢波的起源。它能启动节律性电活动,因而被认为是胃肠活动的起搏细胞(pacemaker cell)。

ICC是一种兼有成纤维细胞和平滑肌细胞特性的间质细胞,几乎所有的ICC都表达c-kit基因,可通过免疫组化染色方法检测。ICC主要分为双极细胞和多突起细胞两种形态类型,前者主要分布在食管、胃和小肠,而多突起细胞则主要分布在结肠内,其与平滑肌细胞之间的距离很近,并在多处形成缝隙连接。慢波可以电紧张的形式传至纵行肌和环行肌层。有研究提示,ICC还可能对肠神经信号的传递有调控作用。

3.动作电位(快波) 动作电位的时程很短,10～20ms,又称快波。在慢波的基础上,消化道平滑肌在受到各种理化因素的刺激后,慢波可进一步去极化,当达到阈电位(约-40m V)时,即可爆发动作电位;有时当慢波去极化达到阈电位时,动作电位也可自发产生。与慢波相比,动作电位常叠加在慢波的峰顶上,幅度为60～70m V,可为单个,也可成簇出现(1～10次/s)。

电活动的电位变化系不同离子在细胞膜内外移动所形成,主要的离子为Ca2+、Na+、K+、Cl-等,其方式为离子的扩散及生电性钠泵的参与。

二、消化道的神经支配及其作用

支配消化道的神经有分布于消化道壁内的内在神经系统(intrinsic nervous system)和外来神经系统(extrinsic nervous system)两大部分。两者相互协调,共同调节胃肠的功能。

(一)内在神经系统

内在神经系统包括两类神经丛,即位于纵行肌和环行肌之间的肌间神经丛(myenteric plexus)或称欧氏神经丛(Auerbach plexus)和位于环行肌和黏膜层之间的黏膜下神经丛(submucosal plexus)或称麦氏神经丛(Meisser plexus)。

这些神经丛是由分布于消化道壁内无数不同类型的神经元和神经纤维所组成的神经网络。有神经元约108个,称为肠神经系统(enteric nervous system ENS),由感觉神经元、运动神经元及大量的中间神经元组成。它们将消化道壁内的各种感受器、效应细胞、外来神经和壁内神经元紧密地联系在一起,在调节胃肠运动、腺体分泌以及胃肠血流中起重要作用。

ENS中有一些神经肽和激素与自主神经系统共同调控着胃肠道的运动和分泌功能。发挥刺激作用的有缩胆囊素(cholecystokinin,CCK),P物质(substance P,SP),胃动素(motilin,MTL)等;抑制作用的有:血管活性肠肽(vasoactive intestinal polypeptide,VIP),生长抑素(somatostatin,SS),一氧化氮(nitric oxide,NO),酪酪肽(peptid YY,PYY)等。

(二)外来神经系统

消化道除口腔、咽、食管上端的肌肉及肛门外括约肌由躯体神经支配外,主要接受自主神经(包括交感和副交感神经)系统的支配。

1.传出神经

(1)交感神经(末梢递质为去甲肾上腺素):节后纤维主要终止于壁内神经丛内的胆碱能神经元,抑制其兴奋性;少数交感节后纤维直接支配消化道平滑肌、消化道腺细胞和血管平滑肌。交感神经兴奋时,可引起消化道运动减弱,腺体分泌抑制和血流量减少,消化道括约肌则收缩。

(2)副交感神经(末梢递质为乙酰胆碱):副交感神经包括迷走神经和盆神经,其节后纤维支配消化道平滑肌细胞、腺细胞、上皮细胞和血管。兴奋时释放乙酰胆碱,通过激活M受体,可使消化道收缩,腺体分泌增多,而消化道括约肌却松弛。

(3)肽能神经(peptidergic nervous)纤维:数量较少,末梢释放的递质有P物质、血管活性肠肽、脑啡肽和生长抑素等。

2.传入神经 消化道各种感受器的传入纤维可将各种信息传到壁内神经丛,除引起肠壁局部反射外,还可通过交感和副交感神经的传入纤维传向中枢。感觉末梢识别机械、化学和温度刺激,由肠道传到中枢神经系统(CNS)的感觉信息可导致痛性和非痛性感觉,并且可影响进食和疾病状态,来源于胃肠道的感觉趋于模糊和定位不准。胃肠道丰富的感觉传入神经介导神经反射,参与胃肠道运动、分泌、血流分布和免疫反应的调控。

三、消化道的内分泌

从胃到大肠的黏膜层内存在多种内分泌细胞,其数量远大于体内所有内分泌腺所含的细胞总数。由消化道内分泌细胞合成和释放的激素的化学结构为肽类物质,统称为胃肠激素(gastrointestinal hormone,或gut hormone),也被称为胃肠肽(gastrointestinal peptide)。迄今已被鉴定的胃肠肽约30余种,其中主要的有促胃液素(胃泌素,gastrin)、缩胆囊素(cholecystokinin,CCK)、促胰液素、抑胃肽(gastric inhibitory peptide,GIP)和胃动素(motilin)等。

(一)APUD细胞的概念

消化道的内分泌细胞都具有摄取胺前体、进行脱羧而产生肽类或活性胺的能力,这类细胞统称为APUD细胞(amine precursor uptake and decarboxylation cell),系来源于胚胎外胚层的神经内分泌程序细胞。多数胃肠肽也存在于中枢神经系统中,如促胃液素、缩胆囊素、胃动素、生长抑素、血管活性肠肽、脑啡肽和P物质等,这种双重分布的肽总称为脑-肠肽(brain-gut peptides)。除消化道和胰腺的内分泌细胞外,神经系统、甲状腺、肾上腺髓质、腺垂体等组织中也含APUD细胞。

(二)消化道内分泌细胞对刺激的感受方式

1.开放型细胞 顶端有微绒毛突入消化道腔内,感受腔内的食物成分和p H等化学刺激;消化道内分泌细胞的大多数为此类细胞,如分泌促胃液素的胃窦部G细胞。

2.闭合型细胞 被相邻的非内分泌细胞所覆盖,顶端不暴露于消化道腔内,能感受机械性刺激、温度变化和局部环境的变化,如胃泌酸腺区分泌生长抑素的D细胞。

(三)胃肠激素的生理作用

胃肠激素的主要作用是调节消化器官的功能,但对体内其他器官的活动也可产生广泛的影响。

1.消化腺的分泌和消化道运动的调节　胃肠激素的靶器官包括食管和胃的括约肌、消化道平滑肌、消化腺、胆囊等。不同的胃肠激素对不同的器官、组织可产生不同的调节作用。

2.营养作用 一些胃肠激素具有促进消化道组织代谢和生长的作用,称为营养性作用。如,促胃液素能刺激胃泌酸腺区黏膜和十二指肠黏膜的DNA、RNA和蛋白质合成,从而促进其生长。

3.其他激素释放的调节　胃肠激素还能调节其他激素的释放。如在消化期,从消化道释放的抑胃肽对胰岛素的分泌具有很强的刺激作用;胃窦部由D细胞释放的生长抑素可抑制G细胞释放的促胃液素使胃液分泌减少;胰多肽和血管活性肠肽对生长激素、胰岛素、胰高血糖素和促胃液素等多种激素的释放均有调节作用。

四、消化道血液循环的特点

消化道的血流量与局部组织的活动水平密切相关,在静息状态下,消化系统(包括胃、肠、肝、胰、脾)的血流量约占心输出量的1/3。进餐后,小肠绒毛及其邻近的黏膜下层的血流量可增加至平时的8倍以上,胃肠壁肌层的血流量也随之增加,以适应胃肠消化吸收的需要,直至餐后2～4h才降至进餐前的水平。

消化期内消化道血流量增多的原因如下。

1.代谢因素 由于消化系统活动增强,消化组织的代谢率增加,导致局部代谢产物(如腺苷)生成增加,因而血管舒张。

2.内分泌因素 受食物刺激消化道释放缩胆囊素(CCK)、血管活性肠肽(VIP)、促胃液素和促胰液素等激素,消化道某些腺体还能释放血管舒张素和缓激肽等,这些物质均具有舒血管作用。

3.神经调节因素 副交感神经兴奋时局部血流量增加;交感神经兴奋时初血流量减少,但数分钟后,血流量即可恢复,基本维持胃肠的血供需要。

五、消化道黏膜的自身保护机制

(一)胃黏膜屏障

1.损害胃黏膜的因素

(1)体内因素。①胃酸和胃蛋白酶:产生自身消化作用,使氢离子反渗,直接损伤胃黏膜;②胆汁:反流入胃,破坏黏液屏障和胃黏膜屏障;③应激因素:下丘脑-垂体-肾上腺系统亢奋,分泌大量胃酸导致急性胃黏膜病变。

(2)外来因素。①细菌及毒素:如幽门螺杆菌在幽门前区定植,产生毒素和具有毒性的酶;②药物及刺激性饮食:非甾体类抗炎药(NSAID)和皮质类固醇等,可直接破坏胃黏膜屏障。咖啡、浓茶、尼古丁、乙醇等均可刺激胃酸分泌,并破坏胃黏膜屏障。

2.胃黏膜屏障概念 胃黏膜组织结构的完整有赖于其自身的屏障作用。有学者提出胃黏膜屏障的概念:

(1)黏液屏障:胃黏膜分泌的黏液、碳酸氢盐、表面活性磷脂及免疫球蛋白,覆盖于黏膜表面,亦称黏液-碳酸氢盐屏障。

(2)胃黏膜屏障:指胃上皮细胞顶膜及细胞间紧密连接与中间连接、桥粒等构成连接复合体,成为胃黏膜防御功能的重要组成部分,它能防止氢离子反渗,是维持胃组织与胃腔间p H梯度的主要结构。

(3)胃黏膜血流:充足的血流保证黏膜的正常代谢,维持胃黏膜的功能和结构更新,促进黏液生成和分泌,输送碳酸氢根离子分泌入黏液层。

(4)黏膜免疫系统:包括肥大细胞、巨噬细胞和T淋巴细胞等,处理抗原形成炎症性反应以减少损伤;但炎症介质的释放也会导致黏膜损伤。

(5)黏膜损伤后的修复:胃黏膜细胞更新能力很强,黏膜损伤后还在某些因子的作用下使上皮细胞得到快速修复。

胃黏膜的细胞保护作用的机制尚未完全阐明,胃壁内存在的某些物质对胃黏膜上皮细胞具有强烈的细胞保护作用。胃黏膜和肌层中含有高浓度的前列腺素(PG)以及表皮生长因子(EGF)、热休克蛋白、成纤维生长因子(b FGF)和血管内皮生长因子(VEGF)等重要的黏膜保护因子,在抵御黏膜损害中起重要作用。某些激素如蛙皮素(铃蟾肽)、神经降压素、生长抑素和降钙素基因相关肽等均可抵抗多种损害性刺激对胃黏膜的损伤,这些作用称为直接细胞保护作用(direct cytoprotection)。经常存在的弱刺激可有效地减轻或防止相继而来的强刺激对胃黏膜的损伤,称为胃的适应性细胞保护作用(adaptive cytoprotection)。

(二)肠黏膜屏障

由于肠道担负主要的吸收功能,其屏障功能有别于胃黏膜屏障,肠黏膜屏障的主要作用是在摄取必须的营养物质的同时,防御病原微生物及其他有害成分的入侵并对其产生反应,肠屏障作用由小肠到大肠逐渐增强,肠道的黏膜屏障功能对于预防肠源性感染具有重要意义。

肠黏膜屏障主要由肠内的微生物及代谢物构成的生物屏障,黏膜自身结构构成的机械屏障及黏膜下免疫系统构成的免疫屏障组成,此外胃肠内的各种分泌物还构成化学屏障。

1.生物屏障 肠道是人体最大的细菌库,寄居着1.5万～3.6万个菌种,1013～1014个细菌,99%左右为专性厌氧菌(主要为双歧杆菌等),肠道内常驻菌群的数量、分布相对恒定,形成一个相互依赖又相互竞争的微生态系统。专性厌氧菌通过黏附作用与肠上皮紧密结合,形成菌膜屏障,细菌产生的黏液连同肠黏膜的杯状细胞产生的黏蛋白,能够形成一层类似凝胶的保护层,分布于整个结肠表层,可以抑制肠道中致病菌与肠上皮结合,抑制它们的定植和生长。

分泌型免疫球蛋白A,黏膜特有的树突状细胞能够激活B细胞,后者能够产生针对细菌特异性的免疫球蛋白A(Ig A)。分泌型Ig A是胃肠道和黏膜表面的主要免疫效应分子,对消化道黏膜防御起着重要作用,能够保持肠腔内的细菌处于局限化的状态,并能限制细菌侵入宿主,是防御病原微生物在肠道黏膜黏附和定植的第一道防线。

2.机械屏障 肠上皮细胞是肠黏膜屏障最完整的部分。肠上皮由吸收细胞、杯状细胞及潘氏细胞等组成,细胞间连接主要有紧密连接,还有缝隙连接、黏附连接及桥粒连接等形式。

紧密连接,只允许水分子和小分子水溶性物质选择性地通过。潘氏细胞具有一定的吞噬细胞的能力,并可分泌溶菌酶、天然抗生素肽,抑制细菌移位。杯状细胞分泌黏液糖蛋白,可阻抑消化道中的消化酶和有害物质对上皮细胞的损害,并可包裹细菌;还与病原微生物竞争抑制肠上皮细胞上的黏附素受体,抑制黏附定植。上皮细胞还能够对上皮下免疫细胞起到抗原呈递和免疫调节作用。

广义的机械屏障还包括肠道的运动功能,肠道的运动使细菌不能在局部肠黏膜长时间滞留,起到肠道自洁作用。

3.免疫屏障 包括肠相关淋巴组织(GALT)和弥散免疫细胞。肠相关淋巴组织主要为分布于肠道的集合淋巴小结,派尔斑(Peyer’s patches)是免疫应答的诱导和活化部位;弥散免疫细胞则是肠黏膜免疫的效应部位。

派尔斑主要位于远端回肠,由聚合的淋巴滤泡组成,其中的滤泡相关上皮中的一类特殊细胞被称为M细胞(membranous/microfold cell),能够通过胞饮作用不断地采集肠腔内容物,并将其抗原呈递给其下的免疫细胞,近年的研究显示该抗原处理机制可用于口服疫苗的设计开发及炎症性肠病的治疗。

树突细胞作为重要的哨兵细胞,能够决定是否对呈递来的外来抗原发生反应。树突细胞还能够通过上皮间的树突样突起直接对肠腔内微生物取样,并在免疫活性位点诱导T调节反应。

黏膜层淋巴细胞富含T淋巴细胞、B淋巴细胞,可分泌细胞因子中和外来抗原;肠上皮内淋巴细胞是免疫效应细胞,主要起细胞杀伤作用。

4.化学屏障 由胃肠道分泌的胃酸、胆汁、各种消化酶、溶菌酶、黏多糖、糖蛋白和糖脂等化学物质通过直接杀灭,抑制黏附和定植,促进免疫反应来清除条件致病菌,稀释毒素,冲洗清洁肠腔等保持肠黏膜屏障的完整,构成肠道的化学屏障。