短鏈脂肪酸調控腸道健康研究進展

林楊凡,林炫財,孔晶晶,白楊

【提要】 短鏈脂肪酸(SCFAs)是腸道菌群與非消化性碳水化合物的主要代謝產物，參與了人類腸道穩(wěn)態(tài)的調節(jié)和多種腸道疾病的發(fā)病機制，在維持腸道健康方面發(fā)揮重要作用。 本文主要回顧SCFAs調節(jié)腸道健康的機制，為SCFAs的應用提供理論依據。

短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)，是指碳鏈中碳原子數小于6的有機脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸。在人體中，它是腸道菌群與膳食纖維發(fā)酵的主要最終產物，在食欲調節(jié)、糖脂代謝調節(jié)、維護腸道屏障、氧化應激、炎癥及免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)等方面起著重要作用[1-2]。目前，通過服用特定SCFAs高產益生菌來調節(jié)腸道菌群和促進腸道健康已逐漸成為一種常見治療手段。

1 短鏈脂肪酸的產生

SCFAs主要是由腸道菌群在結腸中發(fā)酵產生，其在結腸腔中的分布濃度從近端(70～140 mmol/L)到遠端(20～70 mmol/L)逐漸下降。在腸源性SCFAs中最常見的是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，它們在結腸中的摩爾比接近60：20：15[3]，但每種SCFA的量和相對比例會受到飲食、微生物群組成、發(fā)酵地點的pH值及局部氧濃度的影響[4]。

乙酸鹽可以由大多數腸道細菌通過乙酰輔酶A途徑或Wood-Ljungdahl途徑從丙酮酸鹽中產生。作為另一種主要的SCFA，丙酸鹽在人類肝糖異生過程中作為底物之一(約50%)參與糖代謝進程。丙酸鹽有三種合成途徑，即可以通過丙烯酸酯途徑、琥珀酸鹽途徑或丙二醇途徑合成丙酸鹽，主要由厚壁菌門及擬桿菌門細菌生產[5]。丁酸鹽是結腸細胞的主要燃料來源(約70%)，腸道菌群產生的丁酸鹽近90%在結腸細胞中局部代謝。丁酸鹽生產菌多為革蘭陽性厭氧菌，其中厚壁菌門嚴格厭氧的糖化菌梭狀芽胞桿菌簇IV和XIVa占主導地位，通過丁酰輔酶A：乙酰輔酶A轉移酶途徑從乙酸鹽產生。丁酸鹽還可以通過磷酸轉丁酰化酶和丁酸激酶途徑從丁酰磷酸鹽中產生[6]。

2 短鏈脂肪酸對腸道健康的調控

2.1 對食欲的調節(jié)作用

SCFAs可以通過內分泌系統(tǒng)介導食欲調節(jié)和能量攝入。多個研究提示，未吸收膳食纖維在結腸發(fā)酵過程中產生的SCFAs可能與腸道內分泌L細胞上的游離脂肪酸受體2(free fatty acid receptor 2，F(xiàn)FAR2)和游離脂肪酸受體3(free fatty acid receptor 3，F(xiàn)FAR3)以及脂肪細胞上的FFAR3相互作用來分別調節(jié)胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide 1，GLP-1)、酪酪肽(peptide YY，PYY)和瘦素的產生，從而介導大腦產生飽腹感并減少食物攝入量[7]。盡管對動物的研究資料[8]表明增加結腸SCFAs可以提高血清GLP-1水平，降低生長激素釋放肽分泌來減少食物攝入，但來自加拿大的一項研究[9]表明結腸內發(fā)酵的急劇增加不會影響GLP-1或PYY的分泌水平，但可能會減少生長激素釋放肽的分泌，這可能與不同研究的實驗設計(發(fā)酵纖維類型和劑量、測量的時間點及持續(xù)時間)相關。

SCFAs還可以直接通過外周自主神經和軀體神經系統(tǒng)神經元上表達的受體來調節(jié)神經元活動和內臟反射[10]，如丙酸鹽通過FFAR3激活迷走神經纖維[11]，而慢性迷走神經刺激會導致食物攝入量和體重的下降[12]。

2.2 對糖脂代謝的調節(jié)作用

如上所述，SCFAs可以通過FFAR2和FFAR3增加PYY和GLP-1的表達，這些厭食激素參與了機體葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調節(jié)。PYY已被證明可以增加肌肉[13]和脂肪組織[14]中的葡萄糖攝取，而GLP-1會增加胰島素的生成并抑制胰高血糖素活性[15]。此外，SCFAs可以通過激活肝AMPK信號通路降低糖異生途徑中葡萄糖-6-磷酸酶和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶的基因表達抑制血糖升高[16]。

SCFAs參與體內脂肪酸合成、脂肪酸氧化和脂肪分解的調節(jié)。在肌肉及棕色脂肪組織[17]中，SCFAs通過增加 AMP/ATP 比率直接磷酸化AMPK (pAMPK)，在白色脂肪組織中， SCFAs 通過FFAR2-瘦素途徑[18]間接激活 AMPK (pAMPK)，pAMPK激活下游過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α[19]導致脂肪酸氧化被激活并減少了甘油三酯的產生。另外，SCFAs與FFAR2的結合可引發(fā)Gi/o蛋白的釋放以及cAMP濃度的增加，進而增強蛋白激酶A的抑制和隨后的激素敏感性甘油三酯脂肪酶抑制，最終導致脂肪分解減少和血漿游離脂肪酸減少[20]。

SCFAs已在嚙齒動物[21]和人類[22]中被證明可以降低血漿膽固醇濃度。由于pAMPK可抑制3-羥-3-甲戊二酰輔酶A還原酶活性并降低分離大鼠肝細胞中的膽固醇水平[23]，因此SCFAs的降膽固醇作用可能與SCFAs對脂肪酸和葡萄糖代謝的影響一樣。

2.3 腸道屏障的保護作用

單層腸上皮細胞之間通過緊密連接蛋白結合到一起，與表面的黏液層組成物理屏障作為宿主的第一道腸道免疫防御屏障。SCFAs可以通過協(xié)調緊密連接蛋白的表達來調節(jié)細胞旁通透性及腸細胞之間通道的溶質運輸。SCFAs，特別是丁酸鹽，能上調編碼緊密連接蛋白的基因來增強腸道屏障[24]。有研究表明[25]丁酸鹽可以通過pAMPK增強跨上皮電阻，促進緊密連接的組裝，從而增強腸道屏障功能。丁酸鹽也可以通過上調黏蛋白2的表達，增強黏液層對腔內病原體的抵抗[24]。SCFAs對腸道屏障功能的影響可能與濃度相關。丁酸鹽在低濃度下可促進腸道屏障功能，但高濃度可能誘導細胞凋亡。在濃度為2 mM時，丁酸鹽可顯著改善人結腸細胞的上皮屏障功能，而較高濃度(8 mM)則無有益效果[26]。

參與腸道屏障功能的另一個重要過程是腸上皮細胞產生抗菌肽(antimicrobial peptides，AMPs)。最近，丁酸鹽已被證明可以誘導AMPs產生[24]，參與抵御病原體的第一道防線的組成。

SCFAs還可以通過促進胰高血糖素樣肽-2(glucagon-like peptide 2，GLP-2)的分泌來增強腸道屏障[27]。GLP-2由腸內分泌L細胞產生的，它的產生受宿主營養(yǎng)狀況的調節(jié)，增加宿主的營養(yǎng)吸收能力。GLP-2通過不同的機制維持腸道屏障功能[28]。首先，GLP-2已被證明可增加腸道重量和促進黏膜發(fā)育(如腸細胞體積增加，微絨毛和絨毛高度增加，隱窩深度增加)，從而產生腸道營養(yǎng)作用。其次，GLP-2增加腸道緊密連接蛋白claudin-3、claudin-7、ZO-1等的表達，降低腸道的細胞旁和跨細胞通透性來改善腸道的物理屏障，防止病原體及其毒素的通過。第三，GLP-2通過控制潘氏細胞產生的溶菌酶、α-防御素，和分泌型磷脂酶A2等AMPs的表達增強腸上皮生化屏障。

2.4 抗氧化作用

氧化應激起源于機體產生活性氧(reactive oxygen species，ROS)和活性氮(reactive nitrogen species，RNS)的不平衡。SCFAs防止活性氧和活性氮產生的功能可能是劑量依賴性的。在較低濃度(1mM)時，醋酸鹽和丁酸鹽減弱鏈脲佐菌素誘導的ROS和一氧化氮的過度產生，而較高濃度(>4mM)則增強細胞凋亡[29]。丁酸鹽治療通過以劑量依賴性方式抑制RNS的產生，顯著改善了脊髓損傷的病理變化和運動功能障礙[30]。丙酸亦被發(fā)現(xiàn)通過刺激宮頸癌細胞中ROS的積累導致線粒體膜功能障礙[31]。來自臨床研究的有限證據[32]也提示，結腸黏膜中的氧化應激可被SCFAs調節(jié)。

核因子-E2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)是一種機體內氧化還原敏感的轉錄因子，編碼人體內數百種II期代謝酶和抗氧化酶。正常情況下，Nrf2被Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)在胞質中結合從而被泛素化，當機體產生ROS和RNS時，Nrf2會被激活從而啟動內源性抗氧化防御機制[33]。丁酸鹽[34]和丙酸鹽[35]等SCFAs是Keap1-Nrf2細胞防御氧化應激損傷途徑的激活劑。在Nrf2基因敲除鼠研究[36]中，丁酸鹽通過P300介導的通過抑制組蛋白去乙?；?histone deacetylase，HDAC)激活Nrf2來介導保護內皮功能障礙。最近的細胞實驗表明[34]，丁酸鹽還通過GPR109A介導的AMPK磷酸化來調節(jié)H3K9/14的乙?；源龠MNrf2的積累。

動物研究表明， Nrf2敲除可影響SOD、GPx和CAT的mRNA表達和酶活性，導致組織中過量的ROS和超氧自由基積累[37]。而丁酸鹽治療已被證明增強抗氧化基因SOD1、SOD2、Gpx2及過氧化氫酶等基因的mRNA表達，提高SOD及過氧化物酶的酶活性，以減輕BPA誘導的肝臟氧化損傷[38]。以上證據提示，SCFAs的抗氧化應激功能可能是通過減少機體內氧化劑產生，調節(jié)Keap1-Nrf2信號通路的下游抗氧化基因表達和酶活性而實現(xiàn)的。

2.5 對免疫系統(tǒng)與炎癥的調節(jié)

免疫系統(tǒng)通過分泌炎癥細胞因子來保護宿主免受病原體的侵害，然而細胞因子的過度產生會導致全身炎癥和疾病。細胞中兩種主要的炎癥相關信號通路，NF-κB和MAPK通路，在Toll樣受體激活后被激活。NF-κB屬于一個核轉錄因子家族，包括p50、p52、REL、REL-a和REL-B等[39]。MAPK有三種下游途徑，分別是ERK、JNK、P38 MAPK[40]。

SCFAs對先天性免疫系統(tǒng)的影響體現(xiàn)在對先天免疫系統(tǒng)細胞的調節(jié)上。SCFAs通過與FFAR2/3結合，下調中性粒細胞、單核細胞和巨噬細胞中的HDAC和NF-κB[41]，通過一系列轉錄因子的調控，最終實現(xiàn)缺氧誘導因子穩(wěn)定化、腸屏障完整性增加和炎癥介質的下調[42]。研究表明[43]，SCFAs通過激活中性粒細胞和巨噬細胞上的FFAR2和FFAR3，在氣道炎癥期間減少了氣道中白介素-8的產生。丁酸鹽和丙酸鹽能夠降低脂多糖誘導的在單核細胞中腫瘤壞死因子-α和一氧化氮合酶的表達[44]。SCFAs還可能影響樹突狀細胞(dendritic cell，DC)的分化和功能。在體外研究中[45]，丁酸鹽在與不同的炎癥誘導劑孵育時可以抑制DC的成熟, 使其呈現(xiàn)較低的刺激T細胞的能力。

SCFAs能夠對T淋巴細胞和B淋巴細胞產生影響來調節(jié)適應性免疫系統(tǒng)。對于T淋巴細胞，SCFAs通過抑制HDAC誘導T細胞向調節(jié)性T細胞分化[46]，或是通過HDAC抑制和mTOR活化共同影響輔助性T細胞1和輔助性T細胞17的極化和活化[47]及促進細胞毒性T細胞中干擾素-γ表達[48]。在B淋巴細胞中，SCFAs通過DC中的mTOR途徑發(fā)出信號間接促進B細胞免疫球蛋白A的產生[49]。

盡管大多數研究顯示SCFAs具有抑制炎癥功效，但有研究已經發(fā)現(xiàn)，SCFAs也存在促炎作用。在健康大鼠中，SCFAs增加中性粒細胞向炎癥部位的遷移，從而加劇皮膚氣囊中的炎癥[50]。醋酸鹽通過激活細胞外信號調節(jié)ERK1/2和p38/MAPK信號通路，增加了細胞因子(如白介素-6、趨化因子(C-X-C基序)配體1和趨化因子(C-X-C基序)配體2)的產生，介導組織炎癥生成[51]。然而，SCFAs活性相對于促炎介質的分子機制尚未完全確定。

3 SCFAs與腸道疾病的相關研究

根據上述研究，SCFAs可以調節(jié)能量代謝、維護腸黏膜屏障完整、調控腸道動力和免疫應答，這使得它與腸道功能性疾病、炎癥性疾病及結直腸腫瘤密切相關。

3.1 SCFAs與腸易激綜合征

在腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)患者的腸道粘膜中，腸嗜鉻細胞計數和5-羥色胺(5-ydroxytryptamine，5-HT)濃度高于健康對照組，這與IBS患者的內臟疼痛和超敏反應的程度呈正相關[52]。在IBS動物模型中[53]，丁酸鈉治療可以通過抑制IRAKI的表達來緩解內臟超敏反應。臨床試驗發(fā)現(xiàn)，相關的SCFAs產品如丁酸鈉同樣減輕了IBS患者的內臟疼痛[54]。

但也有研究表明，SCFAs可作用于小鼠腸干細胞模型進而調節(jié)5-HT的合成和分泌，促進5-HT的釋放，誘導腸道蠕動反射增強，加快腸道傳輸速度。這可能與SCFAs的濃度相關[55]。最近一項關于IBS患者的Meta分析發(fā)現(xiàn)[56]，腹瀉型IBS患者的血清5-HT水平增加。然而，腹瀉型IBS患者和健康患者之間糞便的SCFAs沒有顯著改變，作者考慮導致該結果原因與IBS亞型相關。

3.2 SCFAs與炎癥性腸病

腸道微生物群的生態(tài)失衡已在炎癥性腸病 (inflammatory bowel disease，IBD)中被證實[57]，腸道菌群衍生物介導的腸屏障損傷導致了腸道通透性增加，參與了炎癥性腸病的發(fā)生發(fā)展過程[58]。出于抗氧化、抗炎及屏障保護特性，提高腸道SCFAs的水平已被建議作為IBD患者的一種極具潛力的治療方法。提高腸道SCFAs的水平有多個渠道。其一，攝入膳食纖維(dietary fibre，DF)。但單獨進行DF干預并不太可能有效維持IBD緩解[59]。其二，攝入益生菌。多種益生菌在潰瘍性結腸炎(ulcer colitis，UC)中取得了較好的臨床效果，與之相反的是益生菌療法在克羅恩病(Crohn’s disease，CD)患者中反應平平[60]。但當補充丁酸鹽產生菌時，CD病患者的糞便中丁酸鹽含量升高，腸道屏障功能明顯增強[61]。其三，直接補充SCFAs?？诜∷猁}能有效緩解CD患者的臨床和組織學表現(xiàn)[62]，但直腸丁酸鹽灌腸對UC患者的炎癥和氧化應激參數僅顯示出輕微影響[63]。

3.3 SCFAs與結直腸癌

結直腸癌(colorectal cancer，CRC)的發(fā)生與遺傳因素、環(huán)境暴露和腸道微生物群息息相關。微生物組及其衍生物SCFAs的變化已經在CRC中被證實[64]，糞便FIT-DNA檢測作為推薦的結直腸癌篩查路徑被首次納入2021版中國臨床腫瘤學會結直腸癌診療指南。SCFAs主要通過與G蛋白偶聯(lián)受體(FFAR2和GPR109A)結合發(fā)揮抗癌作用[65]。在與FFAR2結合后，SCFAs通過調節(jié)細胞周期和促進細胞凋亡發(fā)揮抗癌特性。首先FFAR2的的激動會降低細胞周期蛋白依賴性激酶1、細胞周期蛋白依賴性激酶2、細胞周期蛋白D3和增殖細胞核抗原的表達，以不依賴p53的方式增加p21的表達，從而導致G0/G1細胞周期停滯。 其次，增加胱天蛋白酶3/6/7/8的切割，降低抗凋亡基因Bcl-2和Bfl-1的表達，并抑制Wnt信號通路傳導，促進細胞凋亡。丁酸鹽為GPR109A的激動劑,可降低了細胞周期蛋白D1、細胞周期蛋白B1和細胞周期蛋白依賴性激酶1的表達，減少了細胞分裂；同時增加促凋亡基因FAS-L、FADD和TNF-R1的表達，并促進胱天蛋白酶3/8/9切割，促進細胞凋亡。

與正常結腸細胞的代謝特性不同，CRC細胞依靠葡萄糖作為其首選的能量來源(Warburg效應)，這使得丁酸鹽積聚在CRC細胞核中，并作為HDAC抑制劑抑制細胞增殖并誘導細胞凋亡[66]。此外，因多種促炎信號通路參與炎癥向CRC的轉化[67]，因此SCFAs作為HDAC抑制劑在抗炎的同時也也發(fā)揮了抗癌的作用。

近來，早發(fā)性結直腸癌(early-onset colorectal cancer，EOCRC)受到了更多的關注。其中腸道生態(tài)失調和腸道屏障功能障礙被認為在結直腸癌年輕化中起到了重要作用[68]。盡管丁酸鹽已被證明通過細胞代謝，微生物群穩(wěn)態(tài)，免疫調節(jié)和表觀遺傳調節(jié)在抗腫瘤中發(fā)揮作用[69]，丁酸鹽減少與EOCRC之間的相關性尚未確定。

4 結論與展望

綜上所述，SCFAs作為關鍵的腸道微生物代謝物，它不僅在維持腸道生理功能中起著關鍵作用，而且它對一系列腸道疾病也具有潛在的治療意義。雖然目前的研究已經揭示了一部分參與SCFAs功能的分子和途徑，但其中對于人類的系統(tǒng)研究仍然缺乏。某些研究顯示SCFAs會發(fā)揮完全不同的作用，這可能與不同研究中使用的不同的SCFA濃度和暴露時間、不同的益生菌干預方案相關。此外，目前的大多數研究都集中在單一的SCFA的功效上，并沒有考慮不同SCFAs之間，或是SCFAs與益生菌、益生元之間的協(xié)同效應。