腸管上皮
腸管上皮は、運動性、そして協調的な消化、吸収、免疫、内分泌機能を促進する、複雑な解剖学的構造を有している。
杯細胞から分泌される粘液は潤滑剤として機能し、粘膜の内容物による刺激から上皮細胞層を保護する役割を持つ。
歴史的に、陰窩細胞は主に分泌を行う細胞であり、エンテロサイトは主に吸収を行う細胞であると考えられてきた。しかしながら、近年の研究ではこうした古典的な機能分類に異議が唱えられており、表面細胞と陰窩細胞の双方が分泌と吸収の双方の機能を果たしており、分泌と吸収は同時に起こっていることが示されている。
腸管上皮の完全性の喪失は、炎症性腸疾患(IBD)の発症に重要な役割を果たしている。腸内微生物叢の構成の変化は、IBD発症の重要な環境因子である。腸内微生物叢の有害な変化は不適切な(無制御な)免疫応答を誘導し、腸管上皮の損傷をもたらす。この腸管上皮という重要なバリアが突破されることで微生物の進入がさらに進行し、その結果さらなる免疫応答が引き起こされることとなる。IBDは多因子疾患(英語版)であるが、腸内微生物に対する免疫応答の亢進による腸管バリア機能の欠陥がその進行を駆動する一因となっている。
胆汁酸は消化管内腔の正常な構成要素であり、そこで生理的な界面活性剤、そして腸管上皮の恒常性の調節因子として作用している。一方、腸管上皮細胞の胆汁酸への過剰な長期間の曝露は酸化ストレスの原因となり、DNAの酸化損傷や発がん性変異を引き起こす可能性がある。
陰窩の底部に位置する幹細胞によって、6種類(または7種類)の細胞種が生み出される。各細胞種は上方に移動して陰窩を出る過程で、それぞれ固有の分化プログラムに従って成熟する。各上皮細胞種への分化に必要な遺伝子の多くが同定され、特性解析がなされている(腸管上皮分化遺伝子の一覧(英語版)を参照)。生み出される細胞種は、エンテロサイト(英語版)(腸細胞、吸収細胞)、杯細胞、腸管内分泌細胞(英語版)、パネート細胞、M細胞、タフト細胞(英語版)、そしてcup cell(ただしモルモット、ウサギ、サルでのみ記載されている)である。これらの細胞種の機能を下に示す。
エンテロサイトは最も多く存在し、主な機能は栄養素の吸収である。エンテロサイトは内腔側表面に多くの異化酵素を発現しており、こうした酵素は内腔の分子を細胞内への取り込みに適したサイズへ分解している。エンテロサイトでは、イオン、水、単糖、ビタミン、脂質、ペプチド、アミノ酸などが吸収される。
杯細胞は粘液層を分泌し、管腔の内容物から上皮を保護する。
腸管内分泌細胞は、セクレチン、パンクレオザイミン、エンテログルカゴン(英語版)などさまざまな消化管ホルモン(英語版)を分泌する。腸管内分泌細胞の一部は神経とシナプス結合しており、neuropod cellと呼ばれる。
パネート細胞は、α-ディフェンシンなどの抗微生物ペプチドを産生する。
M細胞は内腔から抗原を取り込み、MALTへ送達する。小腸では、M細胞はパイエル板と関係している。
タフト細胞は免疫応答に関与している。
Cup cellは機能未知である。
消化管の各領域の機能ごとに各上皮細胞種の分布は異なっている。
タイトジャンクションは閉鎖帯(密着帯、zonula occludens)とも呼ばれ、腸管上皮のバリア機能に最も重要な構成要素である。この複合体は主に、約35種類のタンパク質からなるクローディン・オクルディンファミリーのメンバーから構成され、側底膜と頂端膜の境界付近で細胞周囲に連続的なベルト様のリングを形成している。
隣接する細胞の膜貫通タンパク質の細胞外ドメインは互いに連結し、強固な密着を形成する。こうした相互作用には、同じ膜に埋め込まれたタンパク質の間で形成されるもの(「シス」)と隣接する細胞間で形成されるもの(「トランス」)がある。さらに、同一タンパク質間の相互作用(ホモフィリック、homophilic)も異なるタンパク質間での相互作用(ヘテロフィリック、heterophilic)もある。
アドヘレンスジャンクションと同様、タイトジャンクションの細胞内ドメインはさまざまな足場タンパク質、アダプタータンパク質、シグナル伝達複合体と相互作用し、細胞骨格との連結、細胞極性、細胞シグナル伝達、小胞輸送を調節している。
タイトジャンクションは、上皮層で隣接する細胞との間で狭いものの変化可能な密着構造を形成し、溶質の選択的透過を行う傍細胞輸送(英語版)経路となる。タイトジャンクションは以前は静的な構造であると考えられていたが、現在では動的な構造であり、細胞間の開口部のサイズを変化させることができることが知られている。これによって、さまざまな発生状態、生理、病理に適応している。タイトジャンクションは上皮層の頂端部と側底部の境界部で選択的かつ半透性の傍細胞バリアとして機能しており、傍細胞空間を介して小さなイオンや水溶性溶質の通過を促進し、一方で管腔の抗原や微生物、毒素の通過を防いでいる。
経細胞経路では、溶質は上皮細胞を経由して特異的に輸送される。この経路は主に、特定の電解質、アミノ酸、糖、短鎖脂肪酸やその他の分子を細胞内外へ輸送する、専用のトランスポーターの活性によって調節されている。