短鏈脂肪酸與心血管疾病關(guān)系研究進(jìn)展

張中和，夏 豪

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及生活水平的提高，心血管疾病已成為世界范圍內(nèi)導(dǎo)致人類死亡的首要危險(xiǎn)因素。遺傳因素、環(huán)境因素及其共同作用是心血管疾病的發(fā)病基礎(chǔ)，但是研究表明遺傳變異占心血管疾病危險(xiǎn)因素的一小部分(<20%),可見環(huán)境因素在心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中起主導(dǎo)作用[1]。飲食攝入是人類最大的環(huán)境暴露，食物影響腸道微生物的結(jié)構(gòu)及代謝，腸道微生物產(chǎn)生氧化三甲胺、短鏈脂肪酸(short chain fatty acids， SCFAs)等代謝產(chǎn)物，在胃腸道疾病、癌癥和心血管疾病中扮演重要角色[1-3]。本文就SCFA與心血管疾病的研究進(jìn)展進(jìn)行概述。

1 SCFA及其受體

SCFA是碳原子數(shù)在2～6的脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸及丁酸，在人體中，SCFA主要是由膳食纖維和抗性淀粉在盲腸和結(jié)腸經(jīng)腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生[4]。腸道有1×1014個(gè)微生物，其中厚壁菌門和擬桿菌門占90%以上[5]，通過16s RNA、宏基因組學(xué)等技術(shù)分析顯示產(chǎn)生SCFA的微生物主要是厚壁菌門梭狀芽孢桿菌綱梭狀芽孢桿菌目疣微菌科及優(yōu)桿菌屬[4]。在近端結(jié)腸中SCFA的總量為70～140 mmol/L，在遠(yuǎn)端結(jié)腸其總量降為20～70 mmol/L，部分SCFA以非離子化形式通過簡(jiǎn)單擴(kuò)散直接穿過上皮黏膜屏障，絕大多數(shù)的SCFA以離子化的形式通過與碳酸氫鹽以1∶1的形式交換、氫耦聯(lián)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1(the hydrogen-coupled monocarboxylate transporter 1， MCT1)、MCT2和MCT4及鈉耦聯(lián)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1(sodium-coupled monocarboxylate transporter 1， SMCT1)等方式透過上皮黏膜屏障[4，6-7]。健康成人外周血中SCFA的濃度估計(jì)：乙酸鹽為100～150 μmol/L，丙酸鹽為4～5 μmol/L，丁酸鹽為1～3 μmol/L，提示外周血中SCFA的濃度比在腸道要低得多[4]。SCFA通過兩種機(jī)制發(fā)揮其生理作用，第一種是通過抑制組蛋白脫乙?；?histone deacetylases， HDACs)使賴氨酸殘基乙?；龠M(jìn)轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合調(diào)節(jié)基因的表達(dá)[8];第二種是通過與G蛋白耦聯(lián)受體(G-protein-coupled receptors， GPCRs)結(jié)合介導(dǎo)其生物學(xué)功能，由SCFA激活的GPCRs主要有四種：GPR41/FFAR3、GPR43/FFAR2、GPR109A、Olfr78，這些受體廣泛表達(dá)于腸道上皮細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、免疫系統(tǒng)(單核巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、調(diào)節(jié)性T細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞)、外周神經(jīng)細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、球旁細(xì)胞等[4，8-9]。

2 SCFA與冠心病

冠心病是常見心血管疾病，其發(fā)病率及病死率逐年上升，是嚴(yán)重危害人類健康的主要疾病之一。其發(fā)病機(jī)制是冠狀動(dòng)脈在脂蛋白沉積的驅(qū)動(dòng)下由炎癥反應(yīng)、免疫反應(yīng)等多種因素參與導(dǎo)致粥樣硬化性斑塊的形成[10]。研究顯示，丁酸鹽通過降低NPC1L1的表達(dá)，上調(diào)ABCG5/8的表達(dá)減少腸道膽固醇的吸收，進(jìn)一步減小粥樣硬化斑塊的面積[11]。Aguilar等[12]研究發(fā)現(xiàn)在apoE KO小鼠中，丁酸鹽預(yù)處理使主動(dòng)脈弓處粥樣硬化性斑塊面積減少50%，丁酸鹽降低氧化低密度脂蛋白(oxLDL)刺激的CD36+巨噬細(xì)胞表達(dá),減少了oxLDL的吸收，并通過降低內(nèi)皮細(xì)胞的MCP1、VCAM1等趨化黏附分子表達(dá)減少斑塊內(nèi)泡沫細(xì)胞的形成和沉積，并增加斑塊內(nèi)膠原纖維含量及斑塊穩(wěn)定性。在脂多糖的刺激下，SCFA通過抑制核因子-κB(NF-κB)和HDAC來減少腫瘤壞死因子-α(TNF-α)及MCP1等炎性介質(zhì)的產(chǎn)生，增加前列腺素E2(PGE2)的產(chǎn)生，PGE2可以降低巨噬細(xì)胞白介素(IL)-1β的產(chǎn)生，并減少T細(xì)胞向輔助性T細(xì)胞1(Th1)的分化[13-14]。研究表明，SCFA減少中性粒細(xì)胞的招募及其浸潤(rùn)，丙酸鹽及丁酸鹽可以通過Caspases的激活促進(jìn)中性粒細(xì)胞的凋亡，乙酸鹽通過FFAR2依賴的方式促進(jìn)中性粒細(xì)胞的凋亡[15-16]。T淋巴細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)在動(dòng)脈粥樣硬化的起始及發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用，粥樣硬化斑塊中存在大量活化的T細(xì)胞，Th1及Th17的促動(dòng)脈粥樣硬化作用已經(jīng)在不同的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cells， Tregs)可以抑制效應(yīng)T細(xì)胞的活性，減緩粥樣斑塊的進(jìn)展并增加其穩(wěn)定性[17]。有大量研究證實(shí)SCFA，尤其是丁酸，具有免疫調(diào)節(jié)效應(yīng)[13-14]。在脂多糖的刺激下，SCFA顯著抑制IL-1β、IL-2、IL-6、IL-17、IL-21等炎性因子水平，增加抗炎細(xì)胞因子IL-10的表達(dá)，增加Treg數(shù)量同時(shí)減少Th17細(xì)胞數(shù)目[18]。Bartolomaeus等[19]指出在apoE KO小鼠模型中，丙酸鹽可以抑制CD4+記憶T細(xì)胞、CD4+、CD8+ T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞數(shù)量，同時(shí)降低粥樣硬化斑塊的大小和血管狹窄程度，敲除Treg后上述指標(biāo)再次上升，證明SCFA通過Treg發(fā)揮抗動(dòng)脈粥樣硬化作用。Foxp3在Treg的表達(dá)對(duì)于發(fā)揮其免疫調(diào)節(jié)有關(guān)鍵作用，F(xiàn)oxp3的表達(dá)受到其啟動(dòng)子及增強(qiáng)子CNS1的調(diào)控，SCFA通過抑制HDAC增加Foxp3啟動(dòng)子及增強(qiáng)子的H3組蛋白乙酰化促進(jìn)Treg的分化[20-21]。血管平滑肌細(xì)胞的異常增殖和過度產(chǎn)生的細(xì)胞外基質(zhì)是動(dòng)脈粥樣硬化和動(dòng)脈再狹窄的重要病因。Mathew等[22]研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽通過對(duì)組蛋白H3特異性位點(diǎn)的乙酰化、甲基化和磷酸化修飾影響G1期特異性細(xì)胞周期蛋白(cyclin D1/D3、cdk2/4/6、p15INK4b、p21Cip1、Rb)，顯著抑制血管平滑肌細(xì)胞的增殖。研究指出氧化應(yīng)激參與血管平滑肌細(xì)胞的增殖和動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生,丁酸鹽通過誘導(dǎo)谷胱甘肽/谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶的抗氧化系統(tǒng)抑制血管平滑肌細(xì)胞的增殖，丁酸鹽可以顯著減小主動(dòng)脈弓處粥樣硬化斑塊大小并通過抑制p22phox和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的表達(dá)(inducible nitric oxide synthase， iNOS)明顯降低斑塊內(nèi)活性氧(ROS)的生成[23]。心肌梗死是冠狀動(dòng)脈粥樣硬化斑塊破裂所導(dǎo)致的冠狀動(dòng)脈嚴(yán)重狹窄或閉塞引起的急性缺血缺氧性疾病。血紅素加氧酶1(heme oxygenase-1， HO-1)在血管損傷、心肌缺血再灌注損傷和心力衰竭的病理生理過程中對(duì)于維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要作用。血小板反應(yīng)蛋白-1(thrombosopondin-1, TSP1)是一種抗血管生成的蛋白，c-Myc是早期應(yīng)激反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子，通過抑制TSP1表達(dá)以促進(jìn)血管生成。AN-7是丁酸衍生物，研究表明，在缺血再灌注小鼠模型中，AN-7通過穩(wěn)定線粒體膜電位，上調(diào)HO-1、c-Myc，下調(diào)TSP1途徑增加冠狀動(dòng)脈血流量、減小心肌梗死面積，改善左心室功能[24]。在小鼠心肌梗死模型中，丁酸鹽通過招募髓系細(xì)胞調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)改善心肌梗死后心臟修復(fù)與重構(gòu)，提高小鼠心肌梗死后存活率[25]。

3 SCFA與心力衰竭

心力衰竭是多種病因?qū)е碌男呐K結(jié)構(gòu)和(或)功能異常，使心室收縮和(或)舒張功能受損，以肺循環(huán)和(或)體循環(huán)淤血，器官、組織血液灌注不足為臨床表現(xiàn)的一組綜合征。腸道微生物的16s RNA分析顯示，在心力衰竭患者腸道微生物中產(chǎn)生SCFA的細(xì)菌顯著減少，如，直腸真桿菌、Dorea Longicatena[26]。心力衰竭患者的腸道微生物宏基因組學(xué)表明，丁酸乙酰乙酸輔酶A轉(zhuǎn)移酶基因顯著減少，而其是丁酸產(chǎn)生的關(guān)鍵酶[27]。腸道黏膜屏障功能受損、通透性增加所導(dǎo)致的腸道菌群移位、內(nèi)毒素入血在心力衰竭的進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。研究表明在小鼠模型中，乙酸和丁酸通過增加結(jié)腸黏膜閉鎖蛋白維持腸道黏膜完整性，減少外周血中脂多糖的濃度[28]。丁酸通過消耗腸道黏膜局部氧氣維持一個(gè)相對(duì)缺氧的環(huán)境，進(jìn)而通過穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子維持腸道黏膜的完整性[27]。Zhang等[29]研究指出，丁酸鹽通過抑制HDAC4顯著改善左心室功能：提高短軸縮短率，增加射血分?jǐn)?shù)，減輕收縮期和舒張期左心室室間隔厚度、左心室游離壁厚度，減輕心肌細(xì)胞肥大，減少心肌細(xì)胞凋亡，減輕鈉尿肽(ANP)的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，乙酸可以顯著抑制心臟纖維化進(jìn)而改善心臟功能，轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果顯示，在心臟中腎素-血管緊張素系統(tǒng)及Egr1均顯著下調(diào)，Egr1在心腎纖維化、炎癥、心肌肥大的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用[30]。Bartolomaeus等[19]發(fā)現(xiàn)，丙酸鹽通過減輕免疫及炎癥反應(yīng)顯著改善心臟肥大和纖維化。Russo等[31]發(fā)現(xiàn)，苯丙胺丁酸(丁酸衍生物)通過減少線粒體ROS產(chǎn)生，改善線粒體呼吸功能，減少氧化磷酸化解耦聯(lián)來改善線粒體的功能，進(jìn)而減輕阿霉素所致心臟損傷。

4 SCFA與高血壓

高血壓以體循環(huán)動(dòng)脈壓升高為主要表現(xiàn)，是卒中和冠心病等心腦血管疾病的主要危險(xiǎn)因素。高血壓是一個(gè)多因素疾病，交感神經(jīng)系統(tǒng)活性亢進(jìn)、腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)激活、內(nèi)皮功能紊亂等在高血壓的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。研究表明，在不同的小鼠高血壓模型中，產(chǎn)生SCFA的腸道菌群顯著減少，但也有研究指出在小鼠接受腸道菌群移植后，血壓升高的小鼠血漿乙酸水平是升高的[32]。SCFA主要通過Olfr78和GPR41參與血壓的調(diào)節(jié)，Olfr78主要分布在腎臟入球小動(dòng)脈及外周阻力血管(皮膚、骨骼肌等)的平滑肌細(xì)胞，GPR41定位于主要血管的內(nèi)皮細(xì)胞。研究表明丙酸鹽通過Olfr78促進(jìn)血漿腎素水平升高，伴隨血壓的升高，但在Olfr78敲除的小鼠中，在同樣的丙酸鹽水平觀察到腎素及血壓水平降低；丙酸鹽通過GPR41降低血壓，而在GPR41敲除的小鼠中，在同樣的丙酸鹽水平下觀察到血壓上升[33-34]。盡管Olfr78和GPR41均參與對(duì)血壓的調(diào)節(jié)，但是二者對(duì)于丙酸鹽的敏感性不同，GPR41對(duì)于丙酸鹽的EC50約為274 μmol，而Olfr78約為920 μmol，二者參與調(diào)節(jié)的機(jī)制可能是：Olfr78與G蛋白αs亞基結(jié)合激活腺苷酸環(huán)化酶，GPR41通過與G蛋白αi亞基結(jié)合抑制腺苷酸環(huán)化酶的激活[35]。Bartolomaeus等[19]研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期給予丙酸鹽可減輕內(nèi)皮功能紊亂，從而調(diào)節(jié)血壓。

5 SCFA與室性心動(dòng)過速

室性心動(dòng)過速是結(jié)構(gòu)性心臟病和缺血性心臟病心臟猝死的重要原因?？p隙連接蛋白43主要表達(dá)于哺乳動(dòng)物心室肌細(xì)胞的閏盤中，通過作用于電壓門控鈉通道影響鈉離子電流、動(dòng)作電位的方式影響心臟電傳導(dǎo)[36]。研究發(fā)現(xiàn)縫隙連接蛋白43的數(shù)量、重新分布及磷酸化水平與室性心動(dòng)過速的發(fā)病密切相關(guān)[36-38]。Bartolomaeus等[19]發(fā)現(xiàn)在小鼠模型中，丙酸鹽通過顯著降低血管緊張素Ⅱ引起的縫隙連接蛋白43分布減少室性心動(dòng)過速的發(fā)生。

6 SCFA與代謝綜合征

代謝綜合征是一些已知的心血管疾病危險(xiǎn)因素同時(shí)發(fā)生的證候群，包括胰島素抵抗、肥胖、致動(dòng)脈粥樣硬化性血脂異常、高血壓，其是相互交叉關(guān)聯(lián)的，有共同的代謝途徑和病理生理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)代謝綜合征的人群發(fā)生2型糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)增加5倍，發(fā)生心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)增加3倍，死亡風(fēng)險(xiǎn)增加1.6倍[39]。研究指出在小鼠模型中，與正常對(duì)照組相比，肥胖小鼠中腸道菌群的SCFA明顯升高，Canfora等[6]在人體中也觀察到相似的結(jié)果。丁酸鹽是腸道上皮細(xì)胞的主要能量來源，在肝臟細(xì)胞中，乙酸及丁酸可以作為脂質(zhì)合成的底物，丙酸被認(rèn)為是肝糖原異生的基質(zhì)，這表明SCFA可能增加肥胖。但是小鼠腸道菌群移植實(shí)驗(yàn)表明，移植瘦小鼠的腸道菌群可以顯著減輕受體體重、脂質(zhì)堆積，且受體腸道菌群中SCFA水平明顯升高[40]。越來越多研究表明，SCFA參與宿主體重調(diào)節(jié)、能量代謝平衡、脂質(zhì)代謝等病理生理過程。有研究報(bào)道，SCFA通過GPR41和GPR43作用于腸道內(nèi)分泌L細(xì)胞促進(jìn)peptide YY(PYY)和胰高血糖樣肽-1(glucagon-like peptide 1， GLP-1)的分泌，PYY和GLP-1作用于弓狀核抑制致食欲性神經(jīng)肽agouti-related peptide(AgRP)的表達(dá)，促進(jìn)厭食性神經(jīng)肽阿片-促黑素皮質(zhì)素原(pro-opiomelanocortin, POMC)的表達(dá)，從而減輕食欲[6]。Frost等[41]研究指出，在小鼠中，乙酸鹽可以在不影響血清中PYY及GLP-1的水平前提下，直接透過血腦屏障抑制弓狀核AMPK的活性，進(jìn)而抑制AgRP的表達(dá)，促進(jìn)POMC表達(dá)來減輕食欲。瘦素主要來源于脂肪組織，可以作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)來減輕食欲、增加能量消耗發(fā)揮體重調(diào)節(jié)作用。在小鼠、羊及人體中均發(fā)現(xiàn)SCFA可以促進(jìn)瘦素水平的提高[6，42]，但是關(guān)于GPR41及GPR43在不同模型脂肪組織的表達(dá)存在爭(zhēng)論，需要進(jìn)一步研究GPR41和(或)GPR43在脂肪組織中的表達(dá)及其在SCFA調(diào)節(jié)瘦素表達(dá)中的作用。Weitkunat等[43]研究顯示，長(zhǎng)期(22周)的丙酸鹽飲食可以將小鼠肝臟中甘油三酯含量降低40%。Yamashita等[44]研究表明，乙酸可以顯著降低小鼠體重、血清中血糖、胰島素、甘油三酯、膽固醇及腹部脂肪含量，乙酸通過激活A(yù)MPK信號(hào)通路促進(jìn)ChREBP磷酸化進(jìn)而阻斷脂質(zhì)合成基因的表達(dá)，在肝臟中轉(zhuǎn)錄水平將乙酰輔酶A羧化酶水平降低30%，葡萄糖-6-磷酸酶降低30%，脂肪酸合成酶降低60%。研究表明，SCFA在小鼠肝臟中將脂肪酸的合成降低了50%,增加2倍的脂肪酸β氧化能力，在轉(zhuǎn)錄水平顯著降低脂肪酸合成酶、乙酰輔酶A羧化酶的表達(dá)，機(jī)制是SCFA通過降低過氧化物酶體增殖物激活受體-γ表達(dá)激活UCP2-AMPK-ACC通路發(fā)揮上述作用[45]。SCFA直接作用于表達(dá)交感神經(jīng)的GPR41通過Gβγ-PLCβ-MAPK信號(hào)通路促進(jìn)去甲腎上腺素的釋放增加產(chǎn)熱、能量消耗[46]。腸道糖異生在調(diào)節(jié)血糖、能量代謝中發(fā)揮有益作用。De Vadder等[47]研究發(fā)現(xiàn)SCFA通過促進(jìn)腸道糖異生，提高門靜脈血糖濃度，激活鈉葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-3，進(jìn)而通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)來降低肝臟糖異生、改善胰島素敏感性、減輕體重、減少脂質(zhì)的異常聚積。丁酸鹽直接作用于腸道細(xì)胞以cAMP依賴的方式促進(jìn)腸道糖異生，而丙酸鹽作用于腹腔傳入神經(jīng)的GPR41通過腸-腦神經(jīng)通路促進(jìn)腸道糖異生[47]。SCFAs，尤其是丁酸鹽，可以通過激活Tregs并抑制促炎性細(xì)胞因子及趨化因子的產(chǎn)生來抑制肥胖引起的慢性炎癥反應(yīng)，參與胰島素敏感性的調(diào)節(jié)[6]。但是Perry等[48]研究指出，乙酸鹽通過激活迷走神經(jīng)促進(jìn)小鼠分泌胰島素和饑餓素，導(dǎo)致高胰島素血癥、攝食增加從而形成一個(gè)正反饋，最終導(dǎo)致胰島素抵抗、肥胖、脂質(zhì)堆積。SCFAs在代謝綜合征的作用是復(fù)雜的，需要更多的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)來進(jìn)一步研究。

綜上所述，越來越多的證據(jù)表明SCFA通過多種代謝途徑參與到動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、心力衰竭等心血管疾病的調(diào)節(jié)，但是很多研究是基于細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，需要更多的臨床試驗(yàn)來進(jìn)一步研究。目前腸道菌群移植、口服益生元、改善飲食結(jié)構(gòu)等方法能夠在一定程度上改變腸道菌群，影響SCFA產(chǎn)生。SCFA沒有毒性，但胃腸道反應(yīng)和口感可能會(huì)影響其應(yīng)用，未來關(guān)于SCFA及其衍生物的研究可能會(huì)為心血管疾病提供新的治療方法。