短鏈脂肪酸影響腸道動(dòng)力的機(jī)制研究進(jìn)展*

劉鵬林，逄承健，邸愛婷，李欣，貢鈺霞，趙剛△

1青島大學(xué)附屬醫(yī)院肛腸科 山東青島266555

2南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 江蘇南京210029

短鏈脂肪酸 （short chain fatty acids，SCFAs）是腸道菌群的一種代謝產(chǎn)物，含1～6個(gè)碳原子的有機(jī)羧酸，包括乙酸（醋酸）、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、己酸和異己酸等。在腸腔中的濃度約為50～100 mmol/L，乙酸和丙酸多存在于小腸和大腸中，通過門靜脈進(jìn)入肝臟。丙酸隨后由肝細(xì)胞代謝，而乙酸鹽則留在肝臟里或系統(tǒng)地釋放到體循環(huán)中。丁酸多存在于結(jié)腸和盲腸中，主要由結(jié)腸細(xì)胞利用[1]。SCFAs主要通過以下方式調(diào)節(jié)腸道功能：抑制組蛋白去乙?；福℉DAC）來調(diào)節(jié)基因表達(dá)，結(jié)合SCFAs受體來影響腸道功能。目前已發(fā)現(xiàn)的SCFAs受體包括：G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled recep?tors， GPCR） 41、 43及109A（GPR41、 GPR43、GPR109A），這些受體遍布腸上皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞、內(nèi)分泌細(xì)胞及脂肪細(xì)胞等，與腸道代謝、腫瘤抑制、免疫調(diào)節(jié)密切相關(guān)[2]。腸道中的SCFAs不僅可以作為營養(yǎng)物質(zhì)被吸收還可以調(diào)節(jié)腸道功能。人糞便菌群代謝產(chǎn)物SCFAs會(huì)影響受試者結(jié)腸糞便轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，兩者呈負(fù)相關(guān)[3]。SCFAs可改善腸道動(dòng)力的研究已成為了國內(nèi)、外關(guān)注的重點(diǎn)。大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、組織離體實(shí)驗(yàn)[4-8]證實(shí)，SCFAs參與調(diào)節(jié)腸道動(dòng)力，可改善便秘癥狀。故研究短鏈脂肪酸影響腸道動(dòng)力的作用機(jī)制有望為便秘的預(yù)防和治療提供新的途徑。

文中主要介紹SCFAs的來源、組成、合成、分布以及影響腸道動(dòng)力的相關(guān)可能機(jī)制，從而為臨床應(yīng)用SCFAs干預(yù)便秘及腸道相關(guān)疾病提供理論指導(dǎo)。

1 SCFAs的來源、組成、合成、分布

大部分SCFAs大部分來源于盲腸和近端結(jié)腸。腸道中的擬桿菌門（Bacteroidetes）和厚壁菌門（Fir?micutes）是產(chǎn)生SCFAs的兩門優(yōu)勢菌，約占腸道菌群總量的20%和60%，變形菌門（Proteobacteria）（5%～10%）和放線菌門（Actinobacteria）（3%）占比相對較少[9]。SCFAs由腸道菌群經(jīng)不同代謝途徑產(chǎn)生，乙酸鹽可由腸道菌群通過乙酰輔酶A或通過Wood-Ljungdahl途徑從丙酮酸產(chǎn)生，丙酸鹽可通過琥珀酸途徑從琥珀酸轉(zhuǎn)化為甲基丙二酰-CoA，或以乳酸作為前體通過丙二醇途徑產(chǎn)生。丁酸鹽有多種合成途徑，可通過磷酸轉(zhuǎn)丁酰酶和丁酸激酶或乙酸CoA-轉(zhuǎn)移酶途徑從丁酰-CoA產(chǎn)生[10]。腸道中短鏈脂肪酸以離子形式存在居多，大多通過轉(zhuǎn)運(yùn)體被機(jī)體吸收利用。SCFAs的特異轉(zhuǎn)運(yùn)體包括：羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（MCT1）/Slc16a1、鈉耦聯(lián)羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（SMCT-1）/Slc5a8介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)，遍布于結(jié)腸細(xì)胞，少量分布于小腸細(xì)胞[2]。此外，還可以通過激活G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCR）進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。

2 短鏈脂肪酸影響腸道動(dòng)力的機(jī)制研究

2.1 影響腸神經(jīng)系統(tǒng)（entericnervoussystem，ENS）

腸神經(jīng)系統(tǒng)（ENS）通過分泌多種興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)來調(diào)控結(jié)腸的收縮舒張功能，通過迷走神經(jīng)和中樞神經(jīng)相溝通。興奮性腸神經(jīng)遞質(zhì)包括：P物質(zhì)（substance P，SP）、乙酰膽堿（acetylcholine，Ach）、5-羥色胺（serotonin，5-HT）；抑制性遞質(zhì)包括：一氧化氮（nitric oxide，NO）、血管活性腸肽（vasoactive intestinal polypeptide， VIP）、 阿 片 肽等。Ach、SP、VIP和NO神經(jīng)元胞體及神經(jīng)纖維在不同腸段的分布顯著不同，而腸肌叢內(nèi)各種神經(jīng)元在形態(tài)學(xué)上彼此關(guān)聯(lián)，在腸道動(dòng)力功能調(diào)節(jié)上協(xié)同發(fā)揮作用[11]。有研究表明丁酸能顯著增加乙酰膽堿轉(zhuǎn)移酶（ChAT）免疫反應(yīng)陽性肌間神經(jīng)元的比例，能增加膽堿能介導(dǎo)的離體結(jié)腸環(huán)行肌收縮反應(yīng)[12]。丁酸的主要作用發(fā)生在它被屬于Slc16a1家族質(zhì)子連接膜蛋白的單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（MCT）轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)之后。目前已在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了MCT家族的14個(gè)成員，但其中只有MCT1、MCT2、MCT3和MCT4被證明可以運(yùn)輸單羧酸鹽，如乳酸、丙酮酸、β-羥基丁酸酯或SCFA。丁酸通過膽堿能途徑增加ENS引起的結(jié)腸運(yùn)動(dòng)和收縮反應(yīng)，增加ChAT-IR腸神經(jīng)元的比例。丁酸鹽誘導(dǎo)的膽堿能表型涉及MCT2，該表型在腸神經(jīng)細(xì)胞中被特異性檢測到。丁酸對ChAT基因的轉(zhuǎn)錄有調(diào)節(jié)作用，可以增加ChAT的活性和mRNA的穩(wěn)定性。丁酸可以通過抑制基因啟動(dòng)子區(qū)域的組蛋白去乙?；福℉DAC）來調(diào)節(jié)基因表達(dá)。Ono等[13]發(fā)現(xiàn)SCFAs可對離體大鼠結(jié)腸遠(yuǎn)端包括黏膜在內(nèi)的縱?。↙M）自發(fā)收縮產(chǎn)生影響，丙酸和丁酸可以增加大鼠遠(yuǎn)端結(jié)腸LM的自發(fā)收縮頻率，研究發(fā)現(xiàn)SCFAs可能通過ENS調(diào)節(jié)LM的自發(fā)收縮頻率，從而促進(jìn)包括蠕動(dòng)反射在內(nèi)的結(jié)腸運(yùn)動(dòng)。SCFAs亦可通過菌—腸—腦軸調(diào)控腸道代謝[14]，SCFAs通過5-HT調(diào)控腸道動(dòng)力的作用機(jī)制將在下文詳細(xì)論述。

2.2 影響Cajal間質(zhì)細(xì)胞

Cajal間質(zhì)細(xì)胞（interstitial cells of cajal，ICC）具有起搏及產(chǎn)生并傳播慢波（slow wave，SW）的功能，ICC可以轉(zhuǎn)導(dǎo)胃腸道的神經(jīng)信號[15]。研究發(fā)現(xiàn)，慢傳輸型便秘（STC）患者結(jié)腸組織中Cajal間質(zhì)細(xì)胞數(shù)量顯著降低，形態(tài)及其超微結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變，因此有學(xué)者認(rèn)為，ICC數(shù)量及結(jié)構(gòu)的異常與STC發(fā)病密切相關(guān)[16]。胃腸系統(tǒng)ICC表型和功能的維持在很大程度上依賴于細(xì)胞表面酪氨酸激酶受體c-Kit蛋白表達(dá)介導(dǎo)的信號級聯(lián)反應(yīng)。有研究發(fā)現(xiàn)丁酸通過調(diào)節(jié)AKTNF-κB信號通路，促進(jìn)排糞，調(diào)節(jié)腸道運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)間質(zhì)細(xì)胞增殖，抑制ICC丟失，使c-Kit表達(dá)的減少[17]。另外，在分離自STC小鼠的ICC細(xì)胞中直接顯示了丁酸鈉對ICC增殖的促進(jìn)作用。丁酸鈉還能促進(jìn)STC小鼠ICC細(xì)胞和結(jié)腸組織中p-p65/p65和pakt/AKT的表達(dá)。NF-κB和AKT信號通路是眾所周知的細(xì)胞增殖調(diào)節(jié)因子，這些信號通過激活I(lǐng)CC中的NF-κB和AKT信號來調(diào)節(jié)腸道的運(yùn)動(dòng)性。

2.3 調(diào)節(jié)信號通路

2.3.15 -HT信號系統(tǒng)5-HT是一種吲哚衍生物，又名血清素，是一種重要的信號分子和神經(jīng)遞質(zhì)[18]，5-HT信號系統(tǒng)在消化系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制中扮演重要的角色，與胃腸道活動(dòng)密切相關(guān)。5-HT依靠攝取食物中的色氨酸來合成，5-HT能神經(jīng)元或腸嗜鉻細(xì)胞（EC）攝取色氨酸，之后在色氨酸羥化酶（TPH）催化作用下生成5-羥色氨酸，后者在色氨酸脫羧酶（TPD）的作用下生成5-HT。體內(nèi)95%以上的5-HT都儲(chǔ)存在EC內(nèi)，作為5-HT合成限速酶的TPH有兩種同工酶：TPH1和TPH2。健康人或小鼠的芽孢桿菌通過SCFAs上調(diào)TPH1表達(dá)，升高結(jié)腸及血清5-HT水平，從而改善GF小鼠的腸道動(dòng)力障礙[19]。而敲除TPH1的小鼠無法對SCFAs產(chǎn)生類似反應(yīng)，也說明黏膜5-HT可能是其促動(dòng)力效應(yīng)的下游信號[20]。

5-HT的合成和釋放可在中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）、EC和ENS同時(shí)進(jìn)行[21]。5-HT必須通過相應(yīng)受體的介導(dǎo)才能發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。5-HT受體（5-HTR）分型復(fù)雜，在哺乳動(dòng)物中已發(fā)現(xiàn)14個(gè)5-HTR亞型、7個(gè)亞家族，目前研究認(rèn)為影響胃腸道功能的主要有5-HT1、5-HT2、5-HT3、5-HT4、5-HT7這幾種受體[22]。5-HT的降解是由線粒體膜上的單胺氧化酶A（MAO-A）氧化生成5-羥基吲哚乙酸（5-hydroxyin?dolacetic acid，5-HIAA），后者經(jīng)有機(jī)酸代謝途徑進(jìn)一步代謝。5-HT釋放后需依靠5-HT再攝取轉(zhuǎn)運(yùn)體（SERT）被腸嗜鉻細(xì)胞、神經(jīng)元、血小板、腸上皮等再攝取利用[21]。

因此，通過干預(yù)5-HT的代謝路徑可以調(diào)節(jié)腸道動(dòng)力。將SCFAs（乙酸、丁酸鹽或丙酸）應(yīng)用于大鼠中、遠(yuǎn)端結(jié)腸三室平板制劑的中央隔室，測定三個(gè)隔室5-HT、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）和降鈣素基因相關(guān)肽（CGRP）的釋放，研究發(fā)現(xiàn)，SC?FAs通過刺激黏膜細(xì)胞釋放5-HT和激活含有CGRP的感覺神經(jīng)末梢上的5-HT4受體來觸發(fā)蠕動(dòng)反射。SCFAs可能激活了近端結(jié)腸的迷走神經(jīng)5-HT3介導(dǎo)的通路和遠(yuǎn)端結(jié)腸的內(nèi)源性5-HT4/CGRP通路，調(diào)節(jié)上行收縮和下行舒張，促進(jìn)結(jié)腸運(yùn)動(dòng)[23]。Yano等[19]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)乙酸鹽、丁酸鹽和丙酸鹽等細(xì)菌代謝產(chǎn)物能增加腸道EC的5-HT生物合成，從而調(diào)節(jié)結(jié)腸和血液中的5-HT濃度，代謝產(chǎn)物通過直接向結(jié)腸EC發(fā)出信號來促進(jìn)TPH1表達(dá)和5-HT生物合成。Mitsui等[24]研究發(fā)現(xiàn)，丙酸和丁酸作用于大鼠遠(yuǎn)端結(jié)腸離體標(biāo)本時(shí)，會(huì)引發(fā)EC釋放5-HT。5-HT通過5-HT4受體作用于固有初級傳入神經(jīng)元的末端，進(jìn)而激活膽堿能運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，引發(fā)環(huán)狀肌收縮，丙酸和丁酸還能通過釋放前列腺素在大鼠遠(yuǎn)端結(jié)腸引起緊張性收縮，即結(jié)腸腔內(nèi)的SCFAs通過神經(jīng)和非神經(jīng)通路來調(diào)節(jié)腸道運(yùn)動(dòng)。Lund等[25]研究發(fā)現(xiàn)GLP-1是鄰近EC細(xì)胞分泌5-HT的旁分泌調(diào)節(jié)器，它可能通過激活迷走神經(jīng)傳入GPR65神經(jīng)元上表達(dá)的5HT3受體，將營養(yǎng)信號從腸道傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)。即EC細(xì)胞可通過旁分泌、直接激活傳入迷走神經(jīng)和內(nèi)分泌機(jī)制發(fā)揮調(diào)節(jié)腸道作用。

2.3.2 蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號通路 GPCR是七次跨膜的單體蛋白，通過激活異三聚體G蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)信號而得名，主要介導(dǎo)大部分的激素和神經(jīng)傳導(dǎo)引起的細(xì)胞應(yīng)答，可與細(xì)胞外的多種配體相結(jié)合從而調(diào)控諸多生理過程。GPCR是目前已知的細(xì)胞表面最大受體超家族，是諸多新藥研發(fā)的重要靶點(diǎn)。通常情況下受體與異三聚體G蛋白結(jié)合：當(dāng)受體活化后G蛋白被激活，GTP取代GDP與Gα亞基結(jié)合，G蛋白的β、γ亞基被釋放。一旦G蛋白被成功激活，它會(huì)將信號傳遞給下游的效應(yīng)分子，這些分子具有酶活性或可作為離子通道發(fā)揮作用。最重要的效應(yīng)分子是腺苷酸環(huán)化酶、磷脂酶和磷酸二酯酶。這些酶的活化將導(dǎo)致原本分散的信號分子如cAMP、cGMP、甘油二酯、三磷酸肌醇和鈣離子濃度的改變，這些信號分子將觸發(fā)更多的下游反應(yīng)[26]。G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號通路為數(shù)眾多，較經(jīng)典的有PKA途徑、IP3-DAG途徑、MAPK途徑及離子通道等。GPR43與GPR41是重要的SCFAs受體，GPR41活化后可導(dǎo)致cAMP水平下降，胞內(nèi)鈣離子濃度上升，并且引發(fā)細(xì)胞分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）活化，增加細(xì)胞內(nèi)MAPK的磷酸化水平[26]，亦稱FFA3/FFAR3。GPR43存在于脂肪組織、免疫細(xì)胞等不同組織和細(xì)胞中，它能被SC?FAs激活，根據(jù)其內(nèi)源性配體也被稱為FFA2/FFAR2。GPR43在腸道的諸多細(xì)胞中（如內(nèi)分泌細(xì)胞、免疫細(xì)胞等）都有表達(dá)，一些研究發(fā)現(xiàn)某些SC?FAs的作用主要依賴與GPR43的結(jié)合。GPR43與酪酪肽（peptidetyrosinetyrosine，PYY）共同定位于黏膜上皮細(xì)胞和肥大細(xì)胞，以及載有5-HT的結(jié)腸遠(yuǎn)端肥大細(xì)胞，通過5-HT與PYY控制胃腸道運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞分泌[27]。Karaki等[28]認(rèn)為SCFAs促結(jié)腸運(yùn)動(dòng)的生理效應(yīng)是通過GPR43影響肥大細(xì)胞釋放5-HT和PYY。Tazoe等[29]研究發(fā)現(xiàn)SCFAs受體GPR41和GPR43表達(dá)于PYY的腸內(nèi)分泌黏膜細(xì)胞，結(jié)腸運(yùn)動(dòng)由SCFAs受體激活所致。另外，SCFAs能夠激活G蛋白偶聯(lián)受體如GPR41、GPR43，介導(dǎo)GLP-1和PYY的分泌，進(jìn)而調(diào)節(jié)胃腸動(dòng)力。反之，GF/PGF小鼠結(jié)腸中SCFAs匱乏，GLP-1基礎(chǔ)水平呈適應(yīng)性增加，延緩了腸道傳輸[30]。Yang[31]等用糞菌移植（FMT）干預(yù)GF小鼠后，檢測GF小鼠的胃腸道組織GLP-1及其受體的表達(dá)，并測定胃腸通過時(shí)間（GITT），得出了和前述文獻(xiàn)相同的結(jié)論。

2.4 維持腸道屏障完整性

腸黏膜屏障包括機(jī)械屏障、免疫屏障、化學(xué)屏障、生物屏障。SCFAs不僅可以為腸黏膜細(xì)胞儲(chǔ)存能量、降低滲透壓、保持腸道健康，更重要的是可通過激活GPCR和抑制HDAC調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答，參與機(jī)體生物屏障的構(gòu)建，使之免受病原微生物的侵害，同時(shí)刺激機(jī)體免疫系統(tǒng)的發(fā)育和成熟，調(diào)控機(jī)體的新陳代謝[32-33]。SCFAs同時(shí)還對腸上皮細(xì)胞有促增殖、分化的作用，促進(jìn)蛋白生成，保持腸黏膜完整性，對維持腸黏膜機(jī)械屏障具有重要意義[34]。它可以為結(jié)腸細(xì)胞提供60%～70%的能量，減少細(xì)胞凋亡[35]。STC患者腸黏膜萎縮，其上皮細(xì)胞通透性增加，并存在腸黏膜屏障功能損害，其損害程度與便秘嚴(yán)重程度成正比[36]。因此SCFAs通過改善腸黏膜屏障功能進(jìn)而調(diào)節(jié)便秘可能是潛在的治療研究靶點(diǎn)。有研究表明，腸道中較高的丁酸水平可提供足夠的能量產(chǎn)生，以驅(qū)動(dòng)具有較高細(xì)胞ATP的代謝過程；相反，較低的丁酸水平導(dǎo)致細(xì)胞ATP的枯竭，不能支持緊密連接蛋白合成的刺激，從而導(dǎo)致AMPK磷酸化增加。此外，該研究發(fā)現(xiàn)ZO1上調(diào)也反映了SC?FAs在上皮細(xì)胞調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵作用，可以通過抑制脂多糖（LPS）的釋放來緩解便秘[37]。因此，丁酸對細(xì)胞收縮有直接的調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而可能影響?zhàn)つて琳瞎δ?，影響?xì)胞代謝。王琳琳等[38]研究發(fā)現(xiàn)SCFAs通過調(diào)控Th17/Treg，改善了腸道通透性增大的現(xiàn)象，減輕炎癥，從而緩解便秘，其中乙酸、混酸對Th17/Treg平衡失衡的調(diào)控作用優(yōu)于丁酸、丙酸，提示SC?FAs緩解便秘的同時(shí)也調(diào)節(jié)了機(jī)體的炎性反應(yīng)，但影響Treg細(xì)胞的具體途徑和機(jī)制尚待研究。

3 小結(jié)

SCFAs可影響腸道運(yùn)動(dòng)的許多過程，可通過調(diào)節(jié)5-HT信號系統(tǒng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)腸道動(dòng)力，從而可用來治療便秘?？赡艿臋C(jī)制是SCFAs通過激活GPCR和抑制HDAC來調(diào)節(jié)5-HT，但具體機(jī)制仍需進(jìn)一步闡明。因此，對腸道SCFAs的深入研究可能成為治療便秘的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，具有積極的臨床意義。