短鏈脂肪酸與腸道疾病關(guān)系的研究進(jìn)展

趙美琪 王婧 崔乃玲 張小茜

腸道菌群（gut microbiota，GM）是定殖于人體或哺乳動(dòng)物腸道中的微生物群落，主要由古生菌、真菌、細(xì)菌和病毒等組成，統(tǒng)稱為腸道微生物群。越來越多的研究指出，GM 作為人體的“第二基因組”和“第二大腦”，與人體健康密切相關(guān)[1～3]。GM 及其代謝產(chǎn)物紊亂可直接誘發(fā)消化系統(tǒng)疾?。ㄈ缒c易激綜合征和炎癥性腸病等），并進(jìn)一步通過腸-肝軸導(dǎo)致代謝系統(tǒng)疾?。ㄈ缣悄虿『头逝值龋4]。短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）是GM 的重要代謝產(chǎn)物和信息分子，主要由部分腸道菌群利用不易消化的碳水化合物（低聚糖、抗性淀粉、非淀粉多糖等）或宿主分泌物（粘蛋白）厭氧發(fā)酵產(chǎn)生，包括乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽、異丁酸鹽、戊酸鹽等[5]。研究表明，SCFAs 可通過激活G 蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor,GPR）和抑制組蛋白去乙?；福╤istone deacetylases,HDACs）調(diào)節(jié)體內(nèi)免疫應(yīng)答及能量代謝，影響消化系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展，如腸易激綜合征、炎癥性腸病、結(jié)直腸癌等[6]。現(xiàn)綜合近幾年國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道，進(jìn)一步闡述SCFAs 在消化系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制。

1 SCFAs 概述

SCFAs 是由6 個(gè)及以下碳原子組成的飽和脂肪酸，在腸道中主要由乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽（通常比例為3∶1∶1）組成。腸道中SCFAs 主要由擬桿菌屬、梭菌屬和雙歧桿菌屬等厭氧菌發(fā)酵產(chǎn)生，腸腔濃度為50～100mmol/L。SCFAs 由不同的腸道細(xì)菌通過不同的代謝途徑產(chǎn)生，并發(fā)揮著相應(yīng)的作用。腸道中的大多數(shù)SCFAs 以離子形式存在，主要通過簡(jiǎn)單擴(kuò)散、轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)[主要的轉(zhuǎn)運(yùn)體有鈉偶聯(lián)羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（SMCT-1）/Slc5a8 和單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（MCT-1）/Slc16a1 兩種]、G 蛋白偶聯(lián)受體轉(zhuǎn)運(yùn)三種方式被腸上皮細(xì)胞吸收。

2 SCFAs 與腸道疾病的相關(guān)研究

有研究表明腸道SCFAs 能為腸上皮細(xì)胞供應(yīng)能量、維護(hù)腸粘膜屏障完整、調(diào)控腸道動(dòng)力和免疫應(yīng)答，這與腸道功能性疾病、炎癥性疾病及結(jié)直腸腫瘤密切相關(guān)[7]。因此進(jìn)一步研究短鏈脂肪酸與腸道疾病的相互作用機(jī)制，有利于腸道疾病的預(yù)防和管理。

2.1 SCFAs 與腸易激綜合征腸易激綜合征（irritable bowel syndrome，IBS）是以腹痛或腹部不適伴排便習(xí)慣改變或大便性狀異常為特征的功能性胃腸道疾病，分為便秘型（IBS-C）、腹瀉型（IBS-D）、交替型（IBS-M）和未分型（IBS-U），其病理生理機(jī)制尚未完全闡明[8]。最近的研究發(fā)現(xiàn)IBS 發(fā)病與腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能紊亂關(guān)系密切，SCFAs 作為腸道菌群的主要代謝產(chǎn)物參與腸道功能的調(diào)節(jié)[9]。

Chey 等[10]發(fā)現(xiàn)IBS 患者的臨床表現(xiàn)（便秘、腹瀉等）與糞便中SCFAs 的水平具有相關(guān)性。與健康對(duì)照組相比，IBS-D 患者的糞便中SCFAs 總濃度顯著升高，IBS-C 患者的糞便中SCFAs 總濃度顯著降低，而IBS-U 患者的糞便中SCFAs 水平與對(duì)照組無顯著差異[11]。基于IBS 的不同亞型進(jìn)行分析，Gargari 等[12]發(fā)現(xiàn)IBS-D 組糞便中乙酸鹽、丁酸鹽、丙酸鹽和戊酸鹽濃度高于IBS-C 組，IBS-U 組糞便中乙酸鹽、丁酸鹽和丙酸鹽濃度高于IBS-C 組。與所有IBS 患者糞便樣本相比，IBS-C 組的乙酸鹽含量顯著降低，IBS-D 組的戊酸鹽含量顯著升高，而異丁酸鹽和異戊酸鹽在IBS 亞組間無明顯差異。IBS患者結(jié)腸轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間的長(zhǎng)短可能會(huì)引起腸道營(yíng)養(yǎng)不良和SCFAs 含量改變，IBS-D 患者的特點(diǎn)是結(jié)腸內(nèi)發(fā)酵作用增加，導(dǎo)致糞便中SCFAs 水平升高，從而刺激腸蠕動(dòng)，而腸道轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間減少又會(huì)降低SCFAs 的吸收，進(jìn)而導(dǎo)致糞便中SCFAs 濃度更高。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽可通過增加膽堿神經(jīng)元的比例來影響腸道神經(jīng)元，進(jìn)而提高腸道蠕動(dòng)能力[13]；而丙酸鹽能夠降低腸道蠕動(dòng)能力[14]，可見SCFAs 對(duì)結(jié)腸動(dòng)力的調(diào)節(jié)受其種類及濃度影響。SCFAs 作為信號(hào)調(diào)節(jié)因子，可作用于腸嗜鉻細(xì)胞進(jìn)而調(diào)節(jié)5-HT 的合成和分泌，促進(jìn)5-HT 的釋放，誘導(dǎo)腸道蠕動(dòng)反射增強(qiáng)，加快腸道傳輸速度[15]。另有學(xué)者認(rèn)為IBS 是細(xì)胞因子失衡和免疫系統(tǒng)過度激活的炎癥性疾病[16，17]。IBS 患者腸道中SCFAs 含量下降可抑制T 細(xì)胞向調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞分化，從而導(dǎo)致抗炎因子（IL-10 等）及效應(yīng)T 細(xì)胞減少，最終造成免疫反應(yīng)的過度激活[18]。長(zhǎng)期輕度炎癥反應(yīng)可引起腸道肌肉和神經(jīng)功能的異常，加重IBS 病變程度。

2.2 SCFAs 與炎癥性腸病炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD）是一組病因不明的慢性腸道炎癥性疾病，包括潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）和 克 羅 恩 ?。–rohn's disease，CD）。早 在1980 年，Roediger[19]提出的“饑餓學(xué)說”就認(rèn)為UC 的病因可能與腸上皮細(xì)胞吸收利用SCFAs 障礙有關(guān)，從而引起人們對(duì)IBD 與SCFAs 關(guān)系的探討。隨著對(duì)腸道微生物和SCFAs 研究的不斷深入，SCFAs 在IBD 治療中的應(yīng)用價(jià)值和前景日益凸顯。

研究發(fā)現(xiàn)，與健康人相比，UC 患者的糞便樣本中乙酸鹽、戊酸鹽和總SCFAs 水平均顯著下降，丙酸鹽和丁酸鹽水平無顯著差異[20]。而CD患者的糞便樣本中乙酸鹽、丁酸鹽和戊酸鹽水平低于健康人，但丙酸鹽與健康人無顯著差異[21]。Gurav 等[22]研究發(fā)現(xiàn)丁酸鹽通過刺激樹突狀細(xì)胞（dendritic cells，DC）過表達(dá)吲哚胺2,3-二加氧酶1（indoleamine 2,3-dioxygenase 1，IDO1）和醛脫氫酶1A2（aldehyde dehydrogenase 1 family member A2，Aldh1A2），進(jìn)而促進(jìn)未成熟T 細(xì)胞分化為FoxP3 +調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（regulatory T cells，Tregs），并抑制未成熟T 細(xì)胞分化為產(chǎn)生干擾素IFN-γ 的細(xì)胞，這是其抗炎作用的關(guān)鍵。SCFAs 具有調(diào)節(jié)腸道巨噬細(xì)胞活性的功能，利用丁酸鹽和丙酸鹽處理巨噬細(xì)胞可抑制LPS 誘導(dǎo)的iNOS、IL-6 和IL-12 等促炎因子的產(chǎn)生，但不能抑制TNF-α 或MCP-1 的產(chǎn)生，這些作用依賴于SCFAs 對(duì)組蛋白去乙?；福╤istone deacetylase，HADC）的抑制[23]。在病原相關(guān)分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）刺激后，機(jī)體Toll 樣受體（toll-like receptor，TLR）可啟動(dòng)免疫應(yīng)答，而SCFAs 可以增強(qiáng)TLR 啟動(dòng)的炎癥反應(yīng)中NF-kB 的產(chǎn)生，最終引起包含杯狀細(xì)胞、腸上皮吸收細(xì)胞、腸內(nèi)分泌細(xì)胞和潘氏細(xì)胞等腸上皮細(xì)胞（intestinal epithelial cell，IECs）中促炎因子（IL-6、IL-1b、IL-8 和TNF-α 等）的生成，而TNF-α 和IL-8 等可通過影響上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）和反向過程（mesenchymal-epithelial transition，MET）參與維持上皮細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)[24，25]。此外，SCFAs 能夠通過GPR41 和GPR43 等G 蛋白偶聯(lián)受體參與調(diào)節(jié)腸道免疫反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)缺少GPR41 和GPR43 受體的小鼠更易患結(jié)腸炎[26]，進(jìn)一步研究證實(shí)SCFAs能夠激活腸上皮細(xì)胞膜上的GPR41 和GPR43，導(dǎo)致絲裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號(hào)通路，產(chǎn)生趨化因子和細(xì)胞因子，迅速參與入侵細(xì)菌的清除。SCFAs 還能為腸上皮細(xì)胞提供能量，參與改善IECs 的屏障活性，維持腸黏膜屏障的緊密連接作用，防止病菌感染進(jìn)而減少炎癥反應(yīng)的發(fā)生[27]。

2.3 SCFAs 與結(jié)直腸癌結(jié)直腸癌（colorectal cancer，CRC）是消化系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤之一，其發(fā)病率位于全球惡性腫瘤的第三位，且呈逐年上升趨勢(shì)，嚴(yán)重危害人類健康。近年隨著對(duì)腸道微環(huán)境和結(jié)直腸腫瘤發(fā)病機(jī)制的深入研究，越來越多的證據(jù)表明短鏈脂肪酸在CRC 治療及預(yù)后方面具有較好的療效[28]，但是具體作用機(jī)制仍需繼續(xù)探究。

CRC 患者腸道中主要以促炎性條件致病菌和代謝紊亂相關(guān)的微生物為主，缺乏參與丁酸產(chǎn)生的菌株[29]。有研究發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照組相比，CRC 患者糞便樣本中乙酸鹽的濃度相對(duì)較高，而丁酸鹽的濃度相對(duì)較低[30]。正常結(jié)腸細(xì)胞60%～70%的能量需要丁酸提供[31]，丁酸在線粒體中經(jīng) β-氧化為結(jié)腸上皮細(xì)胞增殖提供能量供應(yīng)。與之相反，結(jié)直腸癌細(xì)胞利用葡萄糖有氧酵解供能，而丁酸在結(jié)直腸癌細(xì)胞線粒體中異常代謝，作為HDAC 抑制劑在細(xì)胞核內(nèi)不斷積累，進(jìn)而在基因表觀遺傳調(diào)控中發(fā)揮重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)丁酸鹽作為HDAC 抑制劑導(dǎo)致p53 高乙?；?，進(jìn)而下調(diào)p53 的轉(zhuǎn)錄和翻譯，同時(shí)使Sp1 和Sp3 乙?；?，進(jìn)一步上調(diào)p53 靶基因（p21WAF1、p27 和細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶）表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯和促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡[32，33]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽可以激活癌細(xì)胞凋亡的固有通路，刺激調(diào)控促凋亡蛋白表達(dá)的上調(diào)和抗凋亡蛋白表達(dá)的下調(diào)[34]。當(dāng)丁酸鹽濃度達(dá)2～4mmol/L 時(shí)可通過激活生長(zhǎng)停滯與DNA 損傷誘導(dǎo)（growth arrest and DNA damage-inducible，GADD）基 因 和MAPK信號(hào)通路誘導(dǎo)細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。在HCT116 細(xì)胞系中，丁酸鹽可通過誘導(dǎo)GADD153激活MAPK 信號(hào)通路；而在RKO 結(jié)直腸癌細(xì)胞系中，丁酸鹽通過激活c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK），促進(jìn)細(xì)胞凋亡[35]。SCFAs不僅可以通過誘導(dǎo)癌細(xì)胞分化凋亡發(fā)揮抗癌作用，還可以通過氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)機(jī)制發(fā)揮作用。在腸上皮細(xì)胞中，丁酸鹽通過降低IL-8 的分泌和抑制iNOS 的表達(dá)來預(yù)防結(jié)腸炎癥甚至結(jié)腸腫瘤的發(fā)生。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)[36]，丁酸鹽可以提高自由基清除蛋白的表達(dá)和谷胱甘肽s-轉(zhuǎn)移酶的活性（一種負(fù)責(zé)代謝潛在致癌物的蛋白），增強(qiáng)了機(jī)體內(nèi)自由基清除能力，減輕氧化壓力，防止結(jié)腸黏膜的DNA 氧化損傷。TNF-α 可以激活Cox-2 蛋白表達(dá)，產(chǎn)生IL-10 等炎癥因子，而丁酸鹽的HDAC 抑制作用可以阻斷該反應(yīng)，抑制Cox-2 蛋白表達(dá)，減輕炎癥反應(yīng)，進(jìn)而防止結(jié)直腸屏障功能損傷。結(jié)直腸屏障功能損傷是導(dǎo)致結(jié)直腸細(xì)胞癌變的主要誘因，而丁酸鹽能夠誘導(dǎo)結(jié)腸細(xì)胞系中黏蛋白MUC2的表達(dá)，這有利于保持腸道黏膜屏障功能穩(wěn)定。

3 小結(jié)

目前越來越多的研究已經(jīng)證實(shí)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物通過調(diào)節(jié)免疫和炎癥反應(yīng)在消化系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展過程中起到了不可忽視的作用。由于IBD、IBS 和結(jié)直腸癌等消化系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，與飲食習(xí)慣、環(huán)境因素和先天條件等諸多因素有關(guān)，因此SCFAs 在消化系統(tǒng)疾病中具體作用機(jī)制還未完全明確。但是在臨床上基于患者的實(shí)際情況，調(diào)整食物攝入，在腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)治療中補(bǔ)充SCFAs 或者高纖維飲食，改善腸道營(yíng)養(yǎng)狀況，進(jìn)而調(diào)控腸道菌群的比例及豐度，調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，對(duì)于患者的癥狀緩解有極大的幫助，這為預(yù)防和治療消化系統(tǒng)疾病提供了新的思路。然而，目前大多數(shù)研究均是基于嚙齒類動(dòng)物獲得，但動(dòng)物與人類腸道和機(jī)體功能存在差異，缺乏可靠的臨床應(yīng)用研究，具體作用機(jī)制及完善的臨床應(yīng)用方案還需進(jìn)一步研究和探討。