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胃食管反流主要是胃内容物（主要是胃酸、胃蛋白酶）及十二指肠反流入胃的胆盐和胰酶等反流到食管。这些反流物在胃食管反流病及其并发症的发生发展中单独或共同对食管粘膜造成损害。其中胃酸和胃蛋白酶是主要的攻击因子，而在碱性环境下，胆盐和胰酶则成为主要的攻击因子，胃酸能加强胆酸对粘膜的损害作用。反流物中的这些物质（主要是胃酸、胃蛋白酶，其次为十二指肠反流入胃的胆盐和胰酶）使食管黏膜的屏障功能受损，粘膜抵抗力减弱，从而引起食管粘膜炎症。
胃酸和胃蛋白酶在胃食管反流病损伤机制中的作用已较肯定。胃酸和胃蛋白酶直接作用于抗酸屏障较弱的试管粘膜，使之发生糜烂，甚至溃疡。胃酸和胃蛋白酶在对食管黏膜的损伤过程中起协同作用，而单纯胃酸不引起明显的食管黏膜的形态学改变。十二指肠内容物包括胆汁、胰液、肠液。胆汁中主要为结合胆酸、未结合胆酸和磷脂，胰液中主要为胰酶，在肠道内胰液中的磷脂酶A可将胆汁中的磷脂水解成溶血卵磷脂，在酸性条件下溶血卵磷脂对食管粘膜损害很大。反流物中的胰蛋白酶和脂肪酶可造成食管黏膜的非特异性损害。十二指肠内容物中的胆酸可以分为结合胆酸和未结合胆酸，在酸性环境中起作用的是结合胆酸，在碱性环境中两者均可起作用，胆酸可造成食管炎、Barrett食管及食管癌。十二指肠内容物也是造成胃食管反流病的重要原因之一。
胆汁的作用主要是胆盐和胆汁酸的作用。胆盐、胆固醇和卵磷脂等都可以作为乳化剂乳化脂肪，使脂肪乳化成微滴，以增加胰脂肪酶的作用面积；胆汁酸还可以与脂肪酸结合，形成水溶性复合物，促进脂肪酸的吸收；胆盐本身还是一种利胆剂。胆汁对促进脂溶性维生素的吸收也有重要意义，在十二指肠中，胆汁可中和一部分胃酸。但胆道被阻塞，胆汁不能进入十二指肠时，脂肪的消化和吸收就会发生障碍，可引起脂肪痢。胆盐能抑制结肠对钠和水的吸收，如果小肠吸收胆盐发生障碍，大量胆盐进入结肠，常引起水泻。胆汁能刺激肠管运动，如果胆汁缺乏，可引起肠管运动减弱，使食物积滞在肠内。胆汁中的胆盐有很多公用，能帮助人体消化和吸收脂肪，可使脂肪成为极小的微滴，增加脂肪与酶的接触面积，有利于脂肪的分解和吸收；促进维生素A、维生素D、维生素E、维生素K随脂肪的分解产物一起吸收；能刺激肠道蠕动功能，抑制肠道细菌的生长；可促进胆固醇的溶解。磷脂又起着促进胆固醇溶解的作用，从而使胆汁保持液体状态。
胆汁反流常发生在酸性环境下，胆汁反流与酸反流起协同致病作用。单纯胆汁直接接触食管、胃粘膜一般不引起损害，但可通过其刺激胃酸分泌的作用，使胆盐与胃酸结合，增强酸性水解酶的活力，破环溶酶体膜，溶解脂蛋白而破坏食管、胃粘膜的屏障作用；而H+逆向弥散增加，进入粘膜和粘膜下层，可刺激肥大细胞而释放组胺，后者又刺激分泌胃酸和胃蛋白酶，最终导致食管与胃粘膜发生炎症、糜烂、出血。胆汁与胰液混合后，胆汁中的卵磷脂与胰液中的磷酸酯酶A起作用而转化为溶血卵磷脂，如反流入胃、食管，也可造成食管、胃粘膜屏障的损害。