丁酸與人類相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展機(jī)制的研究進(jìn)展

劉穎慧，馬靜靜，鄧歡綜述 董衛(wèi)國審校

人體腸道為腸道微生物提供了良好的棲息環(huán)境，同時(shí)，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物又可參與調(diào)節(jié)宿主的一些重要代謝過程和生理功能。多項(xiàng)研究顯示，腸道菌群紊亂與人體疾病發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切[1]。短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)即揮發(fā)性脂肪酸，多由結(jié)腸內(nèi)的厭氧菌酵解低聚糖、非淀粉多糖、抗性淀粉等未消化吸收的碳水化合物產(chǎn)生，主要包括乙酸、丙酸、丁酸，在維持腸道功能方面發(fā)揮重要作用[2]，其中，丁酸是腸黏膜上皮細(xì)胞的首要能量來源，是維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、調(diào)節(jié)基因表達(dá)及參與腸道炎性反應(yīng)的主要成分[3-4]。近年來，丁酸在細(xì)胞能量代謝和腸道功能穩(wěn)態(tài)方面的作用備受關(guān)注[5]。本文就丁酸的生理功能及其與人體疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)系做一綜述，以期為臨床疾病的診斷與治療提供新思路。

1 丁酸的產(chǎn)生

丁酸(buytrate)俗稱酪酸，分子式為CH3(CH2)2COOH,為無色油狀液體，具有濃烈的干酪般特殊臭味和奶油味，是腸道的天然保健劑和營養(yǎng)品[6，7]。人類盲腸和結(jié)腸中存在著大量的細(xì)菌，其中，厭氧菌占據(jù)主要地位，包括擬桿菌屬(bacteroides)、雙歧桿菌屬(bifidobacteria)、真菌屬(eubacteria)、鏈球菌屬(streptococci)、乳酸桿菌屬(lactobacilli)。而近年來，大量研究表明，腸道產(chǎn)丁酸菌屬是腸道丁酸產(chǎn)生的主要來源，代表菌種是丁酸梭菌，即革蘭陽性厭氧芽孢桿菌。

2 丁酸的生理功能

2.1 丁酸對(duì)腸道生理結(jié)構(gòu)的影響 小腸是人體營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收最主要的場所，因而完整的小腸上皮結(jié)構(gòu)是保證消化道內(nèi)水解產(chǎn)生的物質(zhì)吸收入血液的重要前提[7]。研究者用丁酸鈉處理實(shí)驗(yàn)組斷奶仔豬，結(jié)果表明，丁酸鈉能刺激小腸絨毛的生長發(fā)育，顯著增加絨毛高度以及隱窩深度，改善小腸和大腸黏膜上皮的完整性[8-9]。Geirnaert等[10]在10例克羅恩病患者的糞便微生物群落中添加了能產(chǎn)生丁酸的細(xì)菌，研究發(fā)現(xiàn)，丁酸可以提高上皮細(xì)胞屏障的完整性，降低腸道屏障的分子通透性。另一項(xiàng)研究進(jìn)一步證實(shí)丁酸鹽通過促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子SP1與Claudin-1啟動(dòng)子之間的聯(lián)系，上調(diào)緊密連接蛋白Claudin-1的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，從而增強(qiáng)腸道屏障功能[11]。因此，丁酸在維持腸道生理結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮重要作用。

2.2 丁酸對(duì)腸道消化功能的影響 食物中的營養(yǎng)物質(zhì)在腸道內(nèi)消化酶的作用下，分解為機(jī)體可吸收利用的小分子物質(zhì)，而腸道內(nèi)消化酶活性的改變會(huì)影響機(jī)體的消化吸收功能[7]。 最近一項(xiàng)研究顯示，丁酸鈉處理組動(dòng)物小腸的胰蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶活性較對(duì)照組均顯著提高[12]。但有關(guān)丁酸調(diào)控腸道消化酶的機(jī)制仍尚未明確，有研究推測丁酸可能通過調(diào)節(jié)腸道酸度，激活蛋白酶原，刺激消化酶分泌；同時(shí)丁酸還可誘導(dǎo)胰島素分泌，而胰島素能促進(jìn)淀粉酶的生成[13]。

2.3 丁酸對(duì)腸道微生物菌群的影響 腸道中微生物，如大腸桿菌、葡萄球菌和梭狀芽孢桿菌的適宜生長環(huán)境均為中性偏堿性。有研究表明，丁酸處理組腸道內(nèi)大腸桿菌數(shù)目明顯下降，而有益菌群乳酸桿菌數(shù)量顯著增加，改善了腸道微生物菌群[12]。Allen等[14]一項(xiàng)研究運(yùn)動(dòng)與腸道微生物關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，顯示實(shí)驗(yàn)組人群體內(nèi)腸道菌群比例能更好地抵御腸道炎性反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)因其體內(nèi)丁酸等腸道短鏈脂肪酸含量顯著上升。其作用機(jī)制可能是丁酸穿過細(xì)菌細(xì)胞膜后釋放H+，降低pH值，促進(jìn)乳酸菌的增長繁殖，同時(shí)對(duì)大腸桿菌增殖產(chǎn)生抑制作用。

2.4 丁酸對(duì)免疫功能的影響 腸道免疫系統(tǒng)是由彌散分布在腸黏膜上皮內(nèi)和固有層的免疫細(xì)胞和免疫分子以及腸相關(guān)淋巴組織等組成。同時(shí)，完整的腸上皮細(xì)胞對(duì)保護(hù)腸道屏障功能也起著重要作用。而丁酸可以調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞介導(dǎo)的中性粒細(xì)胞遷移到充血部位，并隨其濃度的增加，作用更加顯著[4]。此外，丁酸鹽在細(xì)胞增殖和凋亡中發(fā)揮重要作用，低濃度的丁酸能促進(jìn)細(xì)胞增殖，高濃度的丁酸能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[15]。另一項(xiàng)研究顯示，丁酸鹽能抑制肥大細(xì)胞的活化和炎性介質(zhì)的產(chǎn)生，改善腸道損傷，同時(shí)JNK信號(hào)通路參與其中[8]?？傊?，丁酸鹽可以通過影響炎性介質(zhì)的產(chǎn)生以及免疫細(xì)胞遷移、黏附和細(xì)胞功能(如增殖和凋亡)來影響免疫反應(yīng)。

3 丁酸與人類疾病

3.1 丁酸與炎性腸病 炎性腸病(IBD)是一種特發(fā)性腸道炎性疾病，包括克羅恩病(CD)和潰瘍性結(jié)腸炎(UC)，而丁酸鹽類與其發(fā)生密切相關(guān)。Eeckhaut等[16]發(fā)現(xiàn)，IBD患者糞便中產(chǎn)丁酸菌的數(shù)量很低，進(jìn)一步在大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，注入產(chǎn)丁酸菌可以顯著減輕三硝基苯磺酸誘導(dǎo)的結(jié)腸炎。此外，丁酸產(chǎn)量與炎性腸病的罹患風(fēng)險(xiǎn)及不良反應(yīng)呈負(fù)相關(guān)[17]。腸上皮屏障在預(yù)防IBD炎性反應(yīng)中起關(guān)鍵作用，腸上皮屏障功能破壞是IBD的重要發(fā)病機(jī)制之一。丁酸鹽可以增加組蛋白的乙?；蜏p少NF-κB的激活，刺激上皮細(xì)胞分泌黏液和緊密連接蛋白的重新排列[18]。缺氧誘導(dǎo)因子(HIFs)的穩(wěn)定化可以預(yù)防炎性反應(yīng)和維持腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)，在低氧條件下，丁酸大量產(chǎn)生進(jìn)而調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞的氧代謝，增加HIFs的穩(wěn)定性以維持上皮細(xì)胞完整性及保護(hù)屏障[19]。然而，另一項(xiàng)研究表明，低濃度的丁酸可以增強(qiáng)腸道屏障功能，而高濃度的丁酸會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的腸上皮細(xì)胞凋亡，反而會(huì)破壞腸道屏障[20]。

另外，丁酸鹽還參與調(diào)節(jié)腸道炎性因子的水平。體外實(shí)驗(yàn)表明，丁酸鹽類可能通過MEK-ERK及MAPK信號(hào)通路調(diào)節(jié)炎性細(xì)胞因子，如IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12、IL-17和TNF-α的表達(dá)[2]。Vinolo等[21]發(fā)現(xiàn)，口服丁二酸(一種促丁酸藥物)可以抑制促炎因子TNF-α的產(chǎn)生。另據(jù)報(bào)道，用丁酸鹽處理過的巨噬細(xì)胞可以抑制脂多糖誘導(dǎo)的促炎介質(zhì)，如NO、IL-6和IL-12的生成[22]。丁酸鹽還可以促進(jìn)T細(xì)胞向Treg細(xì)胞分化，并能增加T細(xì)胞中抗炎因子IL-10的分泌[23-24]。總之，丁酸可減少促炎介質(zhì)分泌，促進(jìn)抗炎因子的分泌，從而發(fā)揮保護(hù)作用。

綜上，丁酸鹽類與IBD的發(fā)病機(jī)制關(guān)系密切，對(duì)腸道免疫調(diào)節(jié)功能有重要作用，但是其療效還需更多的臨床及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)佐證，且治療方式仍有待改進(jìn)。

3.2 丁酸與結(jié)直腸癌 結(jié)直腸癌是世界范圍內(nèi)最常見的惡性腫瘤之一。丁酸鹽是腸道菌群在結(jié)腸中的發(fā)酵終產(chǎn)物，具有抗腫瘤的特性，但其作用機(jī)制尚待明確。丁酸鹽可以維持Th17/Treg平衡，并通過抑制組蛋白去乙酰化酶1來改善結(jié)直腸癌[25]。長期胃腸動(dòng)力下降及結(jié)腸轉(zhuǎn)運(yùn)緩慢是結(jié)直腸癌發(fā)生的危險(xiǎn)因素，研究發(fā)現(xiàn)丁酸鹽除了調(diào)節(jié)結(jié)腸黏膜穩(wěn)態(tài)外，還可以調(diào)節(jié)腸道神經(jīng)元興奮性[26]。谷胱甘肽-s-轉(zhuǎn)移酶(GST)可以降低結(jié)腸癌的發(fā)生率，保護(hù)細(xì)胞免受致癌化合物的侵襲。丁酸酯可以通過不同的機(jī)制轉(zhuǎn)錄上調(diào)GST活性，調(diào)節(jié)GST基因的表達(dá)，增強(qiáng)GST蛋白的表達(dá)和活性[26]。在正常結(jié)腸上皮細(xì)胞中，丁酸鹽是正常細(xì)胞的主要能量來源，而結(jié)腸上皮腫瘤細(xì)胞減少了丁酸鹽的攝取，并增加了葡萄糖的攝取[27]。最近的一項(xiàng)研究中，研究者將裸鼠飼養(yǎng)在野生型或突變型產(chǎn)丁酸鹽菌的環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)膳食纖維可以預(yù)防結(jié)直腸癌，但是需要依賴于產(chǎn)丁酸鹽菌[28]。促腫瘤基因骨橋蛋白(OPN)和環(huán)氧化酶(COX)-2參與了結(jié)腸癌的發(fā)生發(fā)展，Jahns等[29]發(fā)現(xiàn)，在人腫瘤組織中OPN和COX-2的mRNA水平均升高，而丁酸可以抑制腫瘤組織中OPN和COX-2的蛋白及mRNA表達(dá)水平。Sun等[30]發(fā)現(xiàn)丁酸鹽通過加強(qiáng)α-酮戊二酸依賴的DNA錯(cuò)配修復(fù)基因的脫甲基作用而發(fā)揮抗結(jié)直腸癌功能。然而目前的研究還不足以完全揭示丁酸鹽抑制結(jié)直腸癌發(fā)生的機(jī)制，還有待進(jìn)一步的探索。

3.3 丁酸與代謝性疾病 高纖維素飲食人群肥胖、糖尿病的發(fā)生率較低纖維飲食人群低，近年來發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽與代謝性疾病關(guān)系密切。肥胖增加了高血壓、2型糖尿病、冠心病等相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)，而丁酸鹽的抗炎作用使其可以緩解[31-32]。Keenan等[33]還發(fā)現(xiàn)在添加丁酸鹽輔食后，攝入的膳食纖維的種類也會(huì)影響肥胖，食物纖維含量高的一組大鼠體質(zhì)量、脂肪含量均較低，而纖維素降解是丁酸鹽的主要來源。此外，在肝臟、脂肪和骨骼肌等主要代謝部位均有丁酸鹽的細(xì)胞表面受體分布，這些受體的表型改變和生理功能有利于丁酸發(fā)揮抗肥胖和抗糖尿病的作用[34]。Li等[35]給予迷走神經(jīng)切除術(shù)后的小鼠高脂飲食，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充丁酸鹽組發(fā)生高脂血癥、肝脂肪變性及肥胖的概率明顯降低，其機(jī)制可能是通過作用于內(nèi)臟—神經(jīng)腦回路進(jìn)而激活棕色脂肪組織，減少能量攝入并增強(qiáng)脂肪氧化以提高能量代謝。

糖尿病患者的血糖穩(wěn)態(tài)遭到破壞，從而引起一系列的癥狀和并發(fā)癥，而丁酸鹽有利于維持血糖的平衡。在高脂飲食的C57小鼠食物中添加5%的丁酸鈉可以降低血糖的水平，并增加胰島素的敏感性。最近的一項(xiàng)研究中，研究者檢測了T1DM患者的糞便，發(fā)現(xiàn)T1DM患者的糞便中產(chǎn)丁酸物質(zhì)較健康對(duì)照組減少[36]。Qi等[37]對(duì)國內(nèi)345例糖尿病患者的腸道微生物進(jìn)行測序，研究發(fā)現(xiàn)T2DM患者具有中等程度的腸道微生物生態(tài)失調(diào)，尤其是產(chǎn)丁酸細(xì)菌的豐度降低，提示產(chǎn)丁酸菌可能對(duì)T2DM有保護(hù)作用。丁酸鹽還可以直接刺激結(jié)腸、回腸的內(nèi)分泌細(xì)胞GRP43分泌胰高血糖素樣肽(GLP)-1，改善進(jìn)食過程中的血糖穩(wěn)態(tài)[38-39]。Wu等[40]報(bào)道丁酸鈉可以通過激活Nrf2的轉(zhuǎn)錄而減弱糖尿病引起的主動(dòng)脈內(nèi)皮功能障礙。綜上，腸道的菌群組成，尤其是產(chǎn)丁酸菌可能對(duì)糖尿病癥狀及其并發(fā)癥的控制有重要影響。

3.4 丁酸與自身免疫性肝病 自身免疫性肝炎(AIH)是由肝細(xì)胞的自身免疫反應(yīng)所介導(dǎo)的肝臟實(shí)質(zhì)炎性反應(yīng)。其特征性血清學(xué)改變?yōu)镮gG和/或γ-球蛋白的升高[41]。 AIH的發(fā)病機(jī)制尚不明確，但有證據(jù)表明，T細(xì)胞在其免疫病理改變過程中發(fā)揮重要作用，Treg/Th17的失衡對(duì)AIH的發(fā)展至關(guān)重要[9,42-43]。研究發(fā)現(xiàn)丁酸鹽類在保護(hù)肝臟損傷和調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)中發(fā)揮作用[44]。Hu等[9]探索了丁酸鈉對(duì)實(shí)驗(yàn)性自身免疫性肝病模型中Treg/Th17比值的影響，研究發(fā)現(xiàn)丁酸鈉能減輕肝損傷，能降低ALT和AST值；同時(shí)丁酸鈉治療恢復(fù)了Treg/Th17及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子Foxp3/RORγt的比值，并且在降低IL-17和IL-6表達(dá)的同時(shí)，增加了IL-10和TGF-β的表達(dá)。同時(shí)，最近有研究顯示，腸道菌群失調(diào)和腸道屏障通透性的破壞可能是AIH發(fā)生的原因。Wu等[45]的一項(xiàng)研究中，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充丁酸鈉能顯著改善S100/FCA誘導(dǎo)的AIH小鼠肝臟和小腸的損傷，減輕淋巴細(xì)胞浸潤和肝細(xì)胞損傷并維持小腸絨毛結(jié)構(gòu)完整性。丁酸鈉通過下調(diào)IL-6和TNF-α以及下調(diào)TLR4、MyD88、NF-κB p65和NF-κB p-p65等相關(guān)蛋白的水平從而發(fā)揮作用。

3.5 丁酸與非酒精性脂肪肝(NAFLD) 非酒精性脂肪肝(NAFLD)是一種以肝內(nèi)脂肪過度沉積為主要特征的臨床病理綜合征，按其發(fā)病因素可分為原發(fā)性和繼發(fā)性。有研究認(rèn)為，丁酸抑制NAFLD的進(jìn)展，可能與激活A(yù)MPK信號(hào)通路，調(diào)節(jié)脂質(zhì)和能量代謝以及胰島素敏感性和氧化應(yīng)激有關(guān)[46-47]。近期一項(xiàng)研究顯示，丁酸鈉能夠通過PPAR介導(dǎo)的氧化活化和NF-κB信號(hào)通路以及NLRP3炎性小體介導(dǎo)的炎癥抑制來改善非酒精性脂肪肝[48]。此外，Jin等[49]利用果糖誘導(dǎo)NAFLD小鼠，研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鈉對(duì)NAFLD組小鼠的保護(hù)作用可能與十二指腸褪黑素合成的增加以及肝臟中iNOS誘導(dǎo)的減弱有關(guān)。目前NAFLD仍缺乏公認(rèn)的治療方式，雖然各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明丁酸與NAFLD的進(jìn)展相關(guān)，但其如何應(yīng)用于NAFLD的臨床治療中還需進(jìn)一步的臨床研究去證實(shí)。

4 總結(jié)及展望

腸道菌群是維系人體微生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，腸道菌群失調(diào)可誘發(fā)腸道功能紊亂，導(dǎo)致多種人類疾病的發(fā)生。丁酸是一種由腸道菌群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸，具有維持腸道正常生理結(jié)構(gòu)和功能，調(diào)節(jié)機(jī)體免疫力，發(fā)揮抗腫瘤、抗炎及抗氧化等重要生理功能。其與人體多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，如炎性腸病、結(jié)直腸癌代謝性疾病以及自身免疫性肝病等。體內(nèi)體外的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究都支持補(bǔ)充丁酸鹽可以預(yù)防結(jié)直腸癌、肥胖癥和改善胰島素抵抗，以及改善肝臟疾病的發(fā)展。丁酸作用廣泛，其可作為一個(gè)重要補(bǔ)充治療措施，為臨床相關(guān)疾病的診治提供新思路。