短鏈脂肪酸在免疫調(diào)節(jié)和免疫相關(guān)性疾病中的作用

王 佳，張升校，郝育飛，孫何花，茹晉麗，李小峰

哺乳動(dòng)物胃腸道中含有大量微生物，包括1000多種菌株。這種共生微生物群不僅參與食物代謝和能量分解，還有助于調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)，維持體內(nèi)免疫平衡[1-2]。腸道菌群可以通過細(xì)菌成分和細(xì)菌代謝產(chǎn)物兩種方式影響免疫系統(tǒng)。宿主免疫系統(tǒng)可以感知并識(shí)別腸道代謝產(chǎn)物，從而影響腸道內(nèi)外的炎癥反應(yīng)及整個(gè)疾病過程中宿主的免疫反應(yīng)。近年來，腸道菌群代謝產(chǎn)物，包括短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、酚酸、色氨酸、膽汁酸與相關(guān)疾病的病理生理機(jī)制引起了較多的關(guān)注，SCFAs因可參與炎癥反應(yīng)過程，成為近期國(guó)內(nèi)外關(guān)注研究的熱點(diǎn)。已有大量研究證實(shí)其在炎性疾病的免疫調(diào)節(jié)中扮演著重要的角色，并且已應(yīng)用于臨床部分疾病的治療。本文重點(diǎn)闡述目前已知的SCFAs免疫調(diào)節(jié)主要機(jī)制以及其在臨床治療或研究中的最新進(jìn)展，為SCFAs的下一步研究及臨床應(yīng)用提供新的思路和方向。

1 SCFAs概述

SCFAs包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，是腸道共生菌在腸腔內(nèi)發(fā)酵難消化的膳食碳水化合物及小部分的飲食和內(nèi)源性蛋白質(zhì)而成，主要是抗性淀粉和膳食纖維，腸腔中的濃度約為50～100 mmol/L。腸道中的90% SCFAs是丁酸、乙酸和丙酸，它們?cè)谀c道中的濃度通常以6∶2∶2的比例存在[3]。乙酸主要由擬桿菌產(chǎn)生，丙酸主要是毛螺菌屬產(chǎn)生，丁酸則通柔嫩梭菌群、直腸真桿菌屬、霍氏真桿菌群和溴化瘤胃球菌屬等菌屬產(chǎn)生。SCFAs的濃度從盲腸到結(jié)腸不等，乙酸和丙酸多存在于小腸和大腸中，而丁酸主要存在于結(jié)腸和盲腸中[4]。SCFAs在腸道中多以離子形式存在，大部分被結(jié)腸上皮細(xì)胞分解為脂類或酮體代謝，例如β-羥基丁酸、乙酰乙酸等。一般來說，SCFAs通過以下三種不同的方式進(jìn)入腸道細(xì)胞，第一種是被動(dòng)擴(kuò)散方式；第二種是鈉偶聯(lián)羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(SMCT1) / Slc5a8和羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(MCT1) / Slc16a1作為載體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)；第三種是激活G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptors，GPR)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，SCFAs還可以通過以下途徑進(jìn)入體循環(huán)：在盲腸、升結(jié)腸和橫結(jié)腸中吸收的SCFAs進(jìn)入腸系膜上靜脈，而在降結(jié)腸和乙狀結(jié)腸中吸收的SCFAs則被輸送到腸系膜下靜脈，兩者均匯入門靜脈和肝臟[5]，而直腸內(nèi)吸收的SCFAs可經(jīng)骨盆叢進(jìn)入下腔靜脈，進(jìn)而影響外周組織的功能和代謝。

2 SCFAs免疫調(diào)節(jié)機(jī)制

SCFAs可以調(diào)節(jié)多個(gè)系統(tǒng)的功能，如腸道、神經(jīng)、內(nèi)分泌和血液系統(tǒng)；可通過改變免疫細(xì)胞的基因表達(dá)、分化、趨化性、增殖和凋亡，調(diào)節(jié)幾乎所有類型的免疫細(xì)胞的功能，從而參與免疫調(diào)節(jié)，影響系統(tǒng)性自身免疫反應(yīng)的發(fā)生發(fā)展，參與自身免疫性疾病中炎癥過程的不同階段。SCFAs的免疫調(diào)節(jié)作用已成為目前眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)，大量研究發(fā)現(xiàn)其主要經(jīng)由以下兩種途徑調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答：激活GPR和抑制組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)[6]。

2.1 SCFAs通過激活GPR參與免疫反應(yīng)

GPR，也稱為游離脂肪酸受體(free fatty acid receptors，F(xiàn)FARs)，廣泛分布于腸上皮細(xì)胞、 免疫細(xì)胞、內(nèi)分泌細(xì)胞等，幾乎表達(dá)于所有免疫細(xì)胞。SCFAs主要激活GPR41(FFAR3)、GPR43(FFAR2)和GPR109(即羥基羧酸受體2)。乙酸、丁酸、丙酸都可結(jié)合并激活GPR41和43，而在腸道中，只有丁酸和β-羥基丁酸可激活GPR109a。SCFAs-GPR途徑在調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答中起重要作用[7-8]。Maslowski等[9]將葡聚糖硫酸鈉(dextran sulphate sodium salt,DSS)分別加入野生型(wild type,WT)小鼠和GPR43-/-小鼠中，發(fā)現(xiàn)在急性反應(yīng)期，與WT小鼠相比，GPR43-/-小鼠的炎癥反應(yīng)明顯增強(qiáng)、炎癥因子表達(dá)增加，隨后在DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠和GPR43-/-小鼠模型的飲用水中分別加入200 mM的乙酸， WT結(jié)腸炎小鼠的炎癥反應(yīng)明顯減輕，GPR43-/-小鼠則無變化，證實(shí)乙酸在控制結(jié)腸炎癥狀時(shí)需要GPR43參與。調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cells,Tregs)主要介導(dǎo)機(jī)體免疫耐受，參與多種免疫相關(guān)性疾病的進(jìn)程。GPR43由FFAR2基因編碼，用丙酸處理FFAR2-/-和FFAR2+/+小鼠，F(xiàn)FAR2+/+小鼠中結(jié)腸Tregs明顯增加，證實(shí)丙酸可以增加結(jié)腸Tregs的數(shù)目，這個(gè)過程依賴FFAR2 (GPR43)[10]。丙酸可以減少過敏性氣道炎(allergic airway inflammation,AAI)小鼠肺部炎性滲出物包括白介素-4 (interleukin-4,IL-4)、IL-5、IL-13、IL-17A，迅速緩解機(jī)體炎癥反應(yīng)，改善癥狀。在這個(gè)過程中，SCFAs的靶點(diǎn)GPR41信號(hào)至關(guān)重要[11]。富馬酸二甲酯(dimethyl Fumarate,DMF)是治療自身免疫性疾病多發(fā)性硬化的一種新型藥物，可改善野生型多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS)的小鼠模型實(shí)驗(yàn)性變應(yīng)性腦脊髓炎(experimental allergic encephalomyelitis, EAE)小鼠癥狀，對(duì)GPR109a-/-小鼠無類似作用，提示GPR109a信號(hào)通路參與了多發(fā)性硬化病情的發(fā)生發(fā)展[12]?？傊?，GPR信號(hào)通路參與多種免疫相關(guān)性疾病的進(jìn)展，SCFAs可通過激活該信號(hào)調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫細(xì)胞及免疫應(yīng)答而發(fā)揮其重要作用。

2.2 SCFAs通過抑制HDACs調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)

HDACs是參與修飾染色體結(jié)構(gòu)和調(diào)控基因表達(dá)的一類蛋白，在人體內(nèi)分為4型：Ⅰ型(HDAC1、2、3和8)、Ⅱa型(HDAC4、5、7和9)、Ⅲb型(HDAC6和10)、Ⅳ型(HDAC11)。HDACs可將一個(gè)?；c染色質(zhì)緊密結(jié)合，抑制基因的表達(dá)。HDACs及其抑制劑可調(diào)節(jié)染色質(zhì)的乙酰化和去乙?；潭龋餌NA表達(dá)多樣性，在細(xì)胞和系統(tǒng)水平產(chǎn)生多方面影響，二者平衡的破壞可能導(dǎo)致核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear transcription factor-κB,NF-κB)和激活劑蛋白-1(activator protein-1，AP-1)調(diào)控的促炎癥反應(yīng)基因的持續(xù)轉(zhuǎn)錄，形成慢性炎癥循環(huán)。

SCFAs可以有效抑制HDACs。1979年，Cousens等[13]在大鼠的肝癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)高濃度的正丁酸鹽可通過直接抑制HDACs的活性抑制組蛋白去乙?；磻?yīng)，2014年Khan等[14]在糖尿病腎病動(dòng)物模型中也得出了相似的結(jié)論：糖尿病腎病動(dòng)物模型腎臟細(xì)胞中HDACs活性是升高的，而在口服丁酸鈉治療后腎臟細(xì)胞中HDACs活性下降，提示丁酸鈉在體內(nèi)可以抑制HDACs活性。除丁酸外，丙酸可使小鼠體內(nèi)Treg細(xì)胞中HDAC6和9的表達(dá)減少，組蛋白乙酰化程度增高[10]。叉狀頭轉(zhuǎn)錄因子P3 (forkhead box P3, Foxp3)是維持Tregs功能的特性標(biāo)記分子，HDAC9 可以通過影響Foxp3的去乙?；潭?，引起 Foxp3的降解[15]，造成Tregs功能異常而影響機(jī)體免疫穩(wěn)態(tài)。SCFAs可通過抑制HDACs促進(jìn)Tregs的分化，并增強(qiáng)其抑制功能，其機(jī)制可能是SCFAs抑制Foxp3基因中CNS1和CNS3增強(qiáng)子的組蛋白H3賴氨酸27乙酰化水平，從而促進(jìn)Foxp3的表達(dá)，這個(gè)過程可能需要FFAR2參與[10,16]?？傊琒CFAs可通過抑制HDACs從而調(diào)控Tregs的分化與功能，調(diào)節(jié)機(jī)體免疫耐受，影響Tregs數(shù)目或功能異常導(dǎo)致的免疫相關(guān)性疾病的進(jìn)展。

但是，HDACs的多種亞型對(duì)Tregs的影響并不是單一的：HDAC2、HDAC6、HDAC7、HDAC11和去乙酰化酶-1的敲除或抑制，可以增強(qiáng)Treg細(xì)胞的功能，而HDAC3、HDAC5的敲除或抑制與之相反[17]。HDACs不同亞型對(duì)Tregs的調(diào)控作用以及SCFAs對(duì)各亞型的具體抑制作用仍需進(jìn)一步研究。

2.3 SCFA其他免疫調(diào)節(jié)機(jī)制

SCFA還可以調(diào)節(jié)樹突狀細(xì)胞(dendritic cells,DCs)的功能，調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答及T細(xì)胞的分化。Gurav等[18]用丁酸處理DCs，發(fā)現(xiàn)DCs免疫抑制酶吲哚胺2,3-雙加氧酶1和醛脫氫酶1A2的表達(dá)增強(qiáng)，并且促進(jìn)幼稚T細(xì)胞分化為Foxp3+Tregs，抑制分泌促炎性干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)的T細(xì)胞分化。此外，小鼠的DCs經(jīng)丙酸處理后，CD40、PD-L2和CD86的表達(dá)降低，抑制輔助性T(T helper,Th)2細(xì)胞參與的免疫應(yīng)答，從而抑制Th2介導(dǎo)的AAI癥狀[11]。

3 SCFAs在免疫相關(guān)性疾病中的研究進(jìn)展

3.1 SCFAs對(duì)腸道相關(guān)免疫性疾病的防治

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)是以克羅恩病(Crohn’s disease,CD)、潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)為典型的慢性、進(jìn)行性、復(fù)發(fā)性腸道炎癥，其發(fā)病過程與免疫、基因、環(huán)境等多因素相關(guān)。SCFAs不僅可以為腸黏膜細(xì)胞儲(chǔ)存能量，并降低其滲透壓，從而維持腸道健康，還可以通過激活GPR、抑制HDACs而調(diào)節(jié)腸道免疫應(yīng)答，緩解部分炎性腸病。Huda-Faujan等[19]研究IBD患者糞便中SCFAs的變化情況，發(fā)現(xiàn)與健康者相比，IBD患者糞便中丁酸和丙酸濃度明顯下降。Vernia等[20]觀察51例已用5-氨基水楊酸治療的難治性UC患者，發(fā)現(xiàn)24例丁酸灌腸的患者中有6例緩解，12例好轉(zhuǎn)；27例鹽水灌腸的患者僅1例緩解，提示外用丁酸鹽可以增強(qiáng)傳統(tǒng)方案治療UC患者的療效，提高腸道丁酸水平對(duì)防治UC有著重要作用。在DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠模型中，I型 HDAC抑制劑(如丙酸鹽)可緩解小鼠結(jié)腸炎癥狀，并且在抑制HDACs的同時(shí)可抑制炎性細(xì)胞因子的表達(dá)，如IFN-γ、IL-10、IL-1β和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)[21]。Maslowski等[9]在有結(jié)腸炎的無菌小鼠飲用水中添加乙酸鹽后，炎癥介質(zhì)髓過氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)、TNF-α、巨噬細(xì)胞炎性蛋白1α(macrophage inflammatory protein 1α,MIP1α)的表達(dá)下降。Di Sabatino等[22]在CD中也得出了相似的結(jié)論，13例CD患者以4g/d的劑量持續(xù)口服丁酸鹽8周后，7例患者的CD癥狀得到緩解，白細(xì)胞計(jì)數(shù)、紅細(xì)胞沉降率、NF-κB和IL-1β水平較治療前顯著下降。

3.2 SCFAs對(duì)腸道外自身免疫性疾病的防治

雖然自身免疫性疾病具體的發(fā)病機(jī)制仍不明確，免疫機(jī)制參與其中已達(dá)共識(shí)。Tregs在抑制自身反應(yīng)性T細(xì)胞增殖和活化、維持免疫自穩(wěn)等方面起著重要作用，其功能和數(shù)目的異常參與諸多自身免疫性疾病的發(fā)生發(fā)展，如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、干燥綜合征和多發(fā)性硬化[23]。腸道菌群可參與免疫系統(tǒng)的發(fā)育和調(diào)節(jié)，腸道菌群紊亂是自身免疫性疾病的一個(gè)潛在致病因素，如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、白塞病[24-25]。Miyake等[25]發(fā)現(xiàn)與正常人相比，多發(fā)性硬化(MS)患者中存在腸道微生物紊亂，且以代謝產(chǎn)生SCFAs的梭狀芽胞桿菌XIVa和IV簇下降為主，提示在MS患者體內(nèi)SCFAs濃度下降可能與其發(fā)病有關(guān)?？诜CFAs可減輕EAE疾病活動(dòng)，而乙酸鹽和丙酸鹽效果更佳[26]，進(jìn)一步證實(shí)了SCFAs的免疫調(diào)節(jié)作用。在膠原誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎(collagen-induced arthritis,CIA)小鼠模型中，分別以乙酸、丙酸、丁酸喂養(yǎng)小鼠，在丁酸組小鼠的疾病嚴(yán)重程度明顯下降，病情顯著緩解，丙酸、乙酸組的疾病嚴(yán)重程度亦有下降的趨勢(shì)，證實(shí)SCFAs可延緩CIA病情進(jìn)展。

除了上述SCFAs可以抑制炎癥反應(yīng)從而緩解部分免疫性疾病之外，Mizuno等[26]在給抗原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎(antigen-induced arthritis,AIA)模型小鼠喂養(yǎng)SCFAs后，小鼠的臨床癥狀反而加重，這與CIA小鼠模型中得出的結(jié)論相矛盾，可能是因?yàn)镃IA模型中適應(yīng)性和先天性免疫應(yīng)答均有參與，其發(fā)病主要取決于致病的T細(xì)胞(Th1、Th17)和抑制疾病進(jìn)展的T細(xì)胞(Tregs)間的平衡；而AIA的病理機(jī)制是抗原誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，這一過程主要依賴于先天性免疫應(yīng)答成分而不是T細(xì)胞介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫應(yīng)答，這個(gè)結(jié)果也提示SCFAs主要作用于適應(yīng)性免疫應(yīng)答階段，抑制相關(guān)疾病進(jìn)展。總之，口服SCFAs可改善淋巴細(xì)胞介導(dǎo)的系統(tǒng)性自身免疫性疾病，比如EAE、CIA，而可能會(huì)加重抗原誘導(dǎo)的炎癥性疾病，如AIA[26]，確切的機(jī)制仍需進(jìn)一步探討。

4 展望

目前研究已證實(shí)SCFAs在免疫相關(guān)性疾病發(fā)生發(fā)展過程中均起到重要的病理生理作用，與其發(fā)生與防治密切相關(guān)。但免疫相關(guān)性疾病的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，HDACs不同亞型對(duì)Tregs的影響仍存在爭(zhēng)議，SCFAs影響GPR和HDACs的活性后發(fā)揮作用的具體信號(hào)通路仍不清楚，SCFAs分別對(duì)先天性和適應(yīng)性免疫應(yīng)答造成不同影響的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。