丁酸及其衍生物防治非酒精性脂肪性肝病的作用機制研究進展

陳慧，李碩燁 ，李楠，，王慧

1 濰坊醫(yī)學院傳染病學教研室，山東濰坊 261000；2 日照市人民醫(yī)院感染科

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）為臨床上最常見的慢性肝病，統(tǒng)計顯示其全球發(fā)病率約25.24%（14%~32%）。NAFLD包括肝臟脂肪變性、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）、肝纖維化等病理過程，后期可進展至肝硬化、肝癌［1］。它的發(fā)病機制復(fù)雜，涉及到代謝、遺傳和環(huán)境等多個因素，具體機制尚未完全明確，因此目前的治療方法療效有限。越來越多的研究表明，腸道微生物菌群與非酒精性脂肪性肝病的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切，而丁酸作為腸道微生物分解產(chǎn)物—短鏈脂肪酸的重要組成部分，也被多次證明與NAFLD 的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，成為NAFLD 的潛在治療藥物［2-8］，其衍生物如4-苯甲基丁酸（PBA）也被證明能改善高果糖誘導(dǎo)大鼠的NAFLD［9］。丁酸除了來源于膳食纖維外，主要在腸道中由厚壁菌門產(chǎn)生，是結(jié)腸上皮細胞的主要能量來源。丁酸衍生物如PBA，克服了丁酸的短半衰期而保留其生物活性。丁酸及其衍生物對腸道及腸外疾病均存在有益作用，如在腸道疾病有調(diào)節(jié)跨上皮離子轉(zhuǎn)運功能、抗炎抗氧化、維持結(jié)腸防御屏障、影響內(nèi)臟感知、誘導(dǎo)腸道運動增強等作用，腸道外有增加胎兒血紅蛋白、增加胰島素敏感性與減少膽固醇合成、氨清除、保護神經(jīng)等作用［10］。目前丁酸及其衍生物防治NAFLD 的分子機制仍不十分清楚，但關(guān)于此方面的研究逐年增多，且已經(jīng)取得了不少研究成果。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸及其衍生物通過調(diào)節(jié)能量代謝、脂質(zhì)代謝，改善炎癥反應(yīng)，減輕氧化應(yīng)激，調(diào)節(jié)腸道菌群、維持腸道穩(wěn)態(tài)等機制預(yù)防NAFLD 的發(fā)生、延緩其進展，現(xiàn)綜述如下。

1 調(diào)節(jié)能量代謝

丁酸鹽通過減少能量攝入、改善線粒體生物功能來調(diào)節(jié)能量代謝從而對非酒精性脂肪性肝病發(fā)揮防治作用。目前認為，NASH 是肝臟由于過量的脂肪酸和碳水化合物而產(chǎn)生的代謝應(yīng)激反應(yīng)。高熱量食物造成的營養(yǎng)過剩，加上缺乏運動的生活方式造成的能量消耗低，促進脂肪組織肥大，儲存多余的熱量，從而導(dǎo)致脂肪細胞大量膨脹，進而導(dǎo)致脂肪組織缺氧。缺氧脂肪組織會導(dǎo)致組織纖維化和炎癥，進一步降低脂肪組織功能，增加葡萄糖和脂質(zhì)的循環(huán)水平，并導(dǎo)致代謝性疾病的更早發(fā)生［11］。

丁酸被認為是一種能量攝入調(diào)節(jié)劑。丁酸可與G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）GPR41和GPR43結(jié)合刺激食欲抑制激素分泌［12］。正常結(jié)腸內(nèi)存在大量的內(nèi)分泌L細胞，可分泌參與食欲調(diào)節(jié)的肽類，如胰高血糖素樣肽 1（GLP-1）、肽 YY（PYY）和胃泌酸調(diào)節(jié)素等。丁酸可激活腸道內(nèi)分泌L 細胞表面的GPR41和GPR43，刺激 PYY 和GLP-1 的分泌，兩者均可以延遲胃排空，誘導(dǎo)飽腹感，從而減少能量攝入。KIMURA 等［13］對比了 GPR43 缺陷的小鼠和 GPR43過量表達小鼠，發(fā)現(xiàn)前者在正常飲食下也會肥胖，而后者即使喂食高脂肪飲食，仍然是瘦的，這進一步表明丁酸介導(dǎo)的GPR43 激活抑制了脂肪細胞中的胰島素信號傳導(dǎo)，促進了能量的代謝。丁酸還可以作用于腸—腦神經(jīng)回路，調(diào)節(jié)機體能量攝入。LI 等［14］研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽被模型小鼠攝入后抑制了其下丘腦中表達神經(jīng)肽Y 的促食欲神經(jīng)元的活動，并降低了其腦干中的孤束核和迷走神經(jīng)背側(cè)復(fù)合體內(nèi)的神經(jīng)元活動，從而影響了小鼠食欲，減少了食物攝取。這些都說明丁酸鹽對于NAFLD 的有益作用部分歸功于減少能量攝入來改善能量代謝。

另外，線粒體參與體內(nèi)各種生理反應(yīng)，提供能量，因此線粒體功能障礙會引起包括代謝性疾病在內(nèi)的多種疾病。線粒體功能障礙和相關(guān)的氧化應(yīng)激是NAFLD 和NASH 發(fā)展的標志性特征。從這個意義上說，恢復(fù)線粒體功能對于緩解NAFLD 的進展至關(guān)重要。有研究［15］顯示，在 NAFLD 中，丁酸鹽可以顯著促進線粒體的生物合成和功能，其中GPR43-β-arrestin2-AMPK-PGC1-α 信號通路發(fā)揮了巨大作用。GPR43 是細胞膜上的G 蛋白偶聯(lián)蛋白，β -arrestin2 是其下游激活劑之一，通常被認為是炎癥的調(diào)節(jié)劑，在維持脂肪細胞內(nèi)能量穩(wěn)態(tài)中也有重要作用。線粒體含量受其生物發(fā)生的影響，“過氧化物酶體增殖物激活受體γ-共激活因子-1a（PGC-1a）”是線粒體生物發(fā)生的中心環(huán)節(jié)。在NAFLD 患者中可發(fā)現(xiàn)PGC-1a 表達降低，而PGC-1a 的上調(diào)可顯著增加胰島素敏感性和脂質(zhì)氧化。已有研究表明，蛋白激酶（AMPK）的磷酸化會激活PGC-1alpha，增加線粒體相關(guān)基因的表達，并促進線粒體生物發(fā)生。ZHAO 等［15］研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽可以顯著逆轉(zhuǎn)高胰島素誘導(dǎo)的GPR43 和β-arrestin2 減少，并通過促進AMPK-PGC1-α 和阻斷組蛋白去乙?；?HDAC）信號通路來促進線粒體的生物發(fā)生，從而改善了小鼠的肝功能。說明丁酸鹽還能通過改善線粒體生物功能調(diào)節(jié)能量代謝，從而發(fā)揮防治NAFLD的作用。

2 調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝

多個研究表明，攝入丁酸及其衍生物PBA 有益于機體的脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)。它們從改變脂肪生成、影響脂肪分解、促進脂肪酸（FA）β-氧化、調(diào)節(jié)載脂蛋白代謝等方面發(fā)揮調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的作用。其中，丁酸作為 HDAC 抑制劑［16］發(fā)揮核心作用，而 PBA 則起到HDAC 抑制劑或化學分子伴侶的作用。

2.1 調(diào)控脂肪生成 過度刺激的脂肪生成導(dǎo)致了NAFLD 患者的肥胖和胰島素抵抗，過去幾年，抑制脂肪生成的方法一直是研究的主題。為探究丁酸對脂肪生成的影響，TOSCANI等［17］將0.5 mmol/L 丁酸應(yīng)用于3T3-L1 前脂肪細胞5 天，結(jié)果顯示丁酸抑制HDAC 活性，刺激 Pparg、Add1 和 Fasn 基因表達、脂質(zhì)積累，進而加速脂肪細胞分化，但后期脂質(zhì)水平降低。常見的HDAC 抑制劑包括曲古抑菌素A（TSA）、scriptaid 和辛二酰苯胺異羥肟酸均可阻止3T3-L1 細胞分化和脂質(zhì)積累，且丁酸的脂肪生成作用在與TSA 共孵育后被完全阻斷。HABERLAND等［18］研究發(fā)現(xiàn)，是丁酸的短鏈脂肪酸特性而不是其HDAC 抑制特性促進了脂肪生成，且還發(fā)現(xiàn)丁酸在應(yīng)用后的前48 h 內(nèi)發(fā)揮HDAC 抑制作用，因此認為，這種抑制發(fā)生在脂肪生成的早期標志物（C/EBPβ）下游及在脂肪生成的中晚期標志物（PPARγ）上游，推斷丁酸作為HDAC 抑制劑可能通過影響C/EBPβ 的乙酰化狀態(tài)或者降低C/EBPβ DNA 結(jié)合親和力及其轉(zhuǎn)錄激活潛力來阻斷脂肪生成。PBA 主要通過調(diào)節(jié)未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）信號、減弱內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）應(yīng)激來影響脂肪生成，而早有研究證明ER應(yīng)激在NAFLD 發(fā)病機制占據(jù)重要作用［19］。另外，PBA 對脂肪形成有不同作用，這可能與所用PBA的濃度有關(guān)。LONGO 等［20］指出在低濃度時，PBA（50 μmol/L）會刺激脂肪生成，因為PBA 僅抑制非必要的ER 應(yīng)激，對低級別生理性ER 應(yīng)激無反應(yīng)，而在高濃度下，PBA（10～20 mmol/L）消除病理和生理性ER 應(yīng)激，從而抑制脂肪生成。

丁酸和PBA 通過抑制HDAC 活性和UPR 信號傳導(dǎo)影響脂肪生成。預(yù)計長期丁酸治療將具有抗脂肪生成作用，盡管丁酸支持早期脂肪生成，但它并沒有刺激整個過程，細胞脂質(zhì)水平在脂肪生成的后期降低。 PBA 對脂肪生成的不同影響可能與在PBA特定環(huán)境中作為化學伴侶發(fā)揮的常規(guī)作用以及使用的PBA濃度有關(guān)。

2.2 促進脂肪分解 通過刺激脂肪分解來動員和分解脂肪細胞中的脂肪沉積是肥胖及相關(guān)疾病管理方法之一。已有多個小鼠模型研究表明，丁酸對脂肪分解有促進作用，包括白色脂肪組織（WAT）和棕色脂肪組織（BAT）。在飼喂高脂飲食（HFD）的C57BL/6J小鼠研究中，口服丁酸鹽（80 mg/只，10天內(nèi)灌胃5次）可通過以下途徑促進脂解：腎上腺素能受體β3（ARβ3）基因和蛋白表達的增加，脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL）的表達上調(diào)和激素敏感脂肪酶（HSL）的磷酸化，線粒體氧化磷酸化基因的選擇性表達［21］。丁酸對WAT和BAT的脂解作用調(diào)節(jié)不同。丁酸主要在下丘腦內(nèi)交感神經(jīng)系統(tǒng)的控制下刺激BAT 功能，增加產(chǎn)熱［14］。但目前大多數(shù)基于細胞的證據(jù)都不支持丁酸刺激脂肪分解的觀點。體外和體內(nèi)模型之間關(guān)于丁酸對脂肪分解影響的差異部分原因為腎上腺素能系統(tǒng)對WAT 脂肪分解的雙重調(diào)節(jié)以及區(qū)域脂肪庫對腎上腺素能信號的反應(yīng)強度的差異。腎上腺素能系統(tǒng)由兩種受體組成，一種是刺激脂肪分解的β 腎上腺素受體，另一種是抑制脂肪分解的α腎上腺素受體。這兩種受體類型都受兒茶酚胺的調(diào)節(jié)，兒茶酚胺作為激素刺激脂肪分解。在人類中，兒茶酚胺的脂解活性在內(nèi)臟脂肪中最高，其次是腹部皮下脂肪，在外周皮下脂肪中最低。在比較體外和體內(nèi)數(shù)據(jù)時，脂肪組織的這些特征不一定完全反映在細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中，這可能是變異的來源。

PBA對脂肪分解的影響尚不清楚。有一些證據(jù)支持PBA 在WAT 褐變中的作用。為了響應(yīng)適當?shù)拇碳ぃㄩL時間的冷暴露、PPARγ 激動劑、β-腎上腺素能刺激），來自某些脂肪庫的WAT 可以通過呈現(xiàn)BAT 的特征而發(fā)生褐變。WAT 褐變有可能使能量平衡從儲存轉(zhuǎn)向消耗，這是一種可能的抗肥胖策略。PBA 已被證明可以改善由ER 應(yīng)激引起WAT褐變的缺陷過程［22］。在這些研究的基礎(chǔ)上，抑制ER應(yīng)激是PBA 影響脂肪分解的主要作用機制，但還需要進一步的研究。

2.3 促進脂肪酸（FA）β-氧化 線粒體和過氧化酶體中的氧化作用有助于脂肪分解釋放的FA 的分解代謝，以滿足身體的能量需求。因此，刺激FA 氧化被視為是對抗肥胖及NAFLD的一種策略。

在動物模型中進行的研究表明，丁酸通過刺激FA β-氧化改善肥胖相關(guān)的代謝紊亂，如胰島素抵抗和糖耐量減低。其中，PPARγ 被確定為丁酸發(fā)揮其促FAβ-氧化機制的關(guān)鍵信號分子。丁酸可以誘導(dǎo)PPARγ 下調(diào)，PPARγ 的下調(diào)激活了 UCP2-AMPKACC 通路，從而促進脂肪和肝臟組織中的代謝從脂肪生成轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅嵫趸?，并降低肝臟脂肪酸活性［23］。此外，丁酸還可以作為肝成纖維細胞生長因子21（FGF21）誘導(dǎo)劑促進FGF21 表達以支持FAβ-氧化，F(xiàn)GF21 在動物體內(nèi)刺激脂肪酸氧化和酮體生成。但丁酸并沒有增加PPARα 與FGF21 基因的結(jié)合，而是增加聚合酶II 的募集并減少HDAC3 的募集?？傊?，動物研究［24］表明，丁酸通過作為HDAC抑制劑刺激β-氧化來減輕NAFLD代謝功能障礙。

據(jù)報道，PBA也能刺激FA β-氧化。證據(jù)來自對X 染色體連鎖腎上腺腦白質(zhì)營養(yǎng)不良癥的研究，結(jié)果表明PBA 有利于過氧化酶體和線粒體FA 的氧化，但在NAFLD中促進FA β-氧化的機制尚不清楚，還需要進一步研究。

2.4 調(diào)節(jié)載脂蛋白表達 載脂蛋白（apoA、B、C、D、E、H、L）與脂蛋白密切相關(guān)，它們識別脂蛋白顆粒并在脂蛋白代謝過程中充當受體配體或識別節(jié)點。目前，丁酸和PBA 已通過調(diào)節(jié)載脂蛋白的表達顯示出對血脂異常的治療潛力。丁酸調(diào)節(jié)載脂蛋白的機制并不完全清楚，目前研究［25］表明，丁酸對脂蛋白代謝的影響可能是劑量和細胞類型的函數(shù)，低丁酸劑量有利于人肝癌HepG2 細胞生長和間接脂蛋白產(chǎn)生，而高丁酸劑量抑制Caco-2 腸上皮細胞中的脂蛋白產(chǎn)生，具體機制還需要進一步研究。另有證據(jù)表明，在apoB 產(chǎn)生異常升高或被ER 應(yīng)激抑制的情況下，PBA 可以糾正apoB 代謝，機制為降低肝臟TAG 含量和提高血漿 TAG 水平［26］。

3 改善炎癥反應(yīng)

NAFLD 的特點是由肝臟、腸道和脂肪組織之間的相互作用介導(dǎo)的肝臟和全身的免疫和炎癥反應(yīng)的激活。持續(xù)的低炎癥狀態(tài)與炎癥因子失調(diào)、腸黏膜受損密切相關(guān)。丁酸已被反復(fù)證明具有抗炎作用，尤其是腸道相關(guān)炎癥。在NAFLD 中，丁酸的抗炎作用主要通過抑制抗炎通路、調(diào)節(jié)炎癥因子、發(fā)揮HDAC 抑制劑作用及改善腸黏膜屏障完成的。

一方面，丁酸主要通過激活A(yù)MPK 及其下游靶點如核因子-κB（NF-κB）信號通路，增加抗炎因子、減少炎癥因子的表達來抑制炎癥反應(yīng)。DENG 等［2］研究表明丁酸鹽可以通過激活A(yù)MPK及抑制巨噬細胞促炎激活，減輕由于缺乏蛋氨酸和膽堿的飲食導(dǎo)致的小鼠脂肪變性和促炎細胞因子的分泌。丁酸鹽通過靶向NF-κB 信號通路和NLRP3 炎癥小體（一種多蛋白復(fù)合物，負責激活炎癥反應(yīng)）激活，減輕了高脂飲食誘導(dǎo)的NAFLD 相關(guān)的肝臟炎癥［3］。ZHOU等［4］研究表明，高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠模型在丁酸鹽干預(yù)后內(nèi)毒素相關(guān)基因如TLR4和Myd88，促炎基因如 MCP-1、TNF-α、IL-1、IL-2、IL-6 和 IFN-γ 明顯下調(diào)，肝臟中的抗炎因子如IL-4、IL-10顯著增加。

另一方面，丁酸鹽發(fā)揮其HDAC 抑制劑作用，在表觀遺傳學上誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸Treg 細胞分化，從而起到抗炎作用。FURUSAWA 等［27］發(fā)現(xiàn)，在Treg細胞極化條件下，用丁酸鹽處理幼稚T 細胞可增強啟動子中的組蛋白H3 乙?；驮黾覨oxp3 基因位點（與調(diào)節(jié)性T細胞密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子）的保守非編碼序列區(qū)域，從而誘導(dǎo)Treg細胞的分化增加。

另外，丁酸可以修復(fù)黏膜屏障，減少內(nèi)毒素入血，進而減輕肝臟炎癥。ZHOU 等［4］研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽可通過激活A(yù)MPK 促進緊密連接的組裝完成，保護腸道屏障完整性，減少病原體相關(guān)分子模式等逃逸到血液中，以此來降低肝臟炎癥。BEISNER 等［5］研究表明，丁酸鈉可減輕高脂肪和高糖飲食誘導(dǎo)的α-防御素下調(diào)，有助于恢復(fù)腸道抗菌屏障功能。CHEN 等［6］也發(fā)現(xiàn)，SIRT3（一種Ⅲ級HDAC）基因缺乏會導(dǎo)致腸道微生物失調(diào)、腸道通透性增加，而補充丁酸鈉可以減輕這種肝損傷。

4 減輕氧化應(yīng)激

在生理條件下，由于細胞內(nèi)代謝，活性氧（ROS）在肝臟中持續(xù)產(chǎn)生，當過量存在時，ROS 可誘導(dǎo)分子和細胞器損傷，從而導(dǎo)致細胞器功能障礙（例如線粒體功能障礙）和進一步的疾病進展。

丁酸除了上述提到的減輕線粒體相關(guān)的氧化應(yīng)激機制，還可以通過減少ROS 產(chǎn)生及改善抗氧化酶的活性發(fā)揮作用，其中AMPK信號起到了重要作用。AMPK 可作用于下游靶點，激活Nrf2 信號通路。Nrf2 是一種重要的細胞轉(zhuǎn)錄因子，被認為是細胞抗氧化還原的主要媒介，參與解毒和化學預(yù)防機制有關(guān)的幾種酶，如谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶、氧化還原酶輔酶 NAD 的轉(zhuǎn)錄。MOLLICA 等［28］研究發(fā)現(xiàn)，HFD 小鼠的NQO1 和GST 活性以及谷胱甘肽水平明顯降低，應(yīng)用丁酸鹽處理后上指標均有所增加，同時發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽可以通過直接激活A(yù)MPK 信號減少ROS的產(chǎn)生。

丁酸鹽還可以通過促進腸褪黑素合成減輕氧化應(yīng)激。JIN 等［7］研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽還可以增加腸褪黑激素的合成，進而可能通過褪黑素受體依賴的信號級聯(lián)，減弱肝臟誘導(dǎo)型NO 合成酶的誘導(dǎo)和脂質(zhì)過氧化。已有研究［29］證明，褪黑素及其前體色氨酸治療可降低NAFLD 患者的促細胞因子并改善脂肪代謝參數(shù)。

MicroRNAs 是短的非編碼RNAs，參與 NAFLD和相關(guān)代謝疾病的發(fā)病機制。一項最新研究證明，丁酸鈉通過上調(diào)miR-150 抑制趨化因子受體CXCR4 表達，減輕HFD 誘導(dǎo)的小鼠氧化應(yīng)激，從而改善NAFLD；這也表明丁酸鹽可作為化學補充劑治療反芻動物的氧化應(yīng)激及其相關(guān)疾?。?］。然而，其相關(guān)分子機制仍有待深入研究。

5 調(diào)節(jié)腸道菌群、維持腸道穩(wěn)態(tài)

腸道菌群維持著機體生理功能，處于動態(tài)改變中，并參與了許多疾病的發(fā)生發(fā)展。已有研究表明，NAFLD 患者體內(nèi)存在著菌群失調(diào)。多個研究［4，30］表明丁酸鹽可以通過改變機體腸道中pH水平，調(diào)整腸道菌群，促進腸道中有益菌群恢復(fù)，減少有害菌群生長，從而調(diào)節(jié)糞便短鏈脂肪酸和內(nèi)毒素水平，并降低促炎細胞因子的表達。另外，丁酸還可以通過激活結(jié)腸細胞中β 氧化增加氧消耗，從而降低管腔內(nèi)氧和硝酸鹽水平，防止病原菌的增加，維持腸道穩(wěn)定［31］。這說明腸道菌群是丁酸發(fā)揮其多重作用的重要靶點之一，丁酸通過作用于腸道微生物，調(diào)節(jié)其相關(guān)炎癥反應(yīng)及氧化應(yīng)激，維持腸道穩(wěn)態(tài)，從而達到對NAFLD的治療效果。

總之，丁酸鹽通過調(diào)節(jié)能量代謝、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、改善炎癥反應(yīng)、減輕氧化應(yīng)激、調(diào)節(jié)腸道菌群、維持腸道穩(wěn)態(tài)等機制起到防治NAFLD 的作用。鑒于丁酸的短半衰期的局限性，研發(fā)新的丁酸衍生物可能是進一步防治NAFLD 的重要方向，丁酸及其衍生物有望成為NAFLD的潛在治療方法。