短鏈脂肪酸與心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)*

周明敏 黃鶴

腸道菌群能利用宿主食物中的膳食纖維、益生元和部分乳制品,通過各種代謝途徑產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFA)。SCFA是少于6個碳原子的有機(jī)脂肪酸,生理p H 值下SCFA 主要以共軛堿形式存在于盲腸和結(jié)腸中,主要包括丁酸鹽、乙酸鹽和丙酸鹽[1]。研究發(fā)現(xiàn),SCFA 作為信號分子可參與宿主免疫、炎癥、能量代謝、情緒、認(rèn)知、行為、記憶等多種生物學(xué)過程,與機(jī)體多個系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān),包括代謝性疾病、腸道疾病、心血管疾病、行為認(rèn)知障礙疾病、腫瘤以及自身免疫性疾病等[2-3]。近來諸多研究發(fā)現(xiàn)SCFA 對自主神經(jīng)系統(tǒng),尤其是對心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)存在作用,筆者就SCFA 與心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 腸道SCFA經(jīng)腸-腦軸的心血管保護(hù)效應(yīng)

微生物-腸-腦軸作為神經(jīng)-體液通訊網(wǎng)絡(luò),可維持機(jī)體穩(wěn)態(tài),其主要由腸道菌群、腸神經(jīng)系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)(例如旁巨細(xì)胞外側(cè)核/頭端延髓腹外側(cè)區(qū))和自主神經(jīng)系統(tǒng)(包括交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng))組成。腸道管腔和/或粘膜內(nèi)的SCFA 短期可調(diào)節(jié)腸道神經(jīng)元功能,改變神經(jīng)元興奮性;SCFA 如果長時間作用,可改變神經(jīng)元形態(tài)、基因表達(dá)和興奮性[4-5]。SCFA 興奮腸道迷走傳入神經(jīng)中的SCFA 受體(包括GPR41和GPR43),經(jīng)由腸-腦軸調(diào)節(jié)宿主交感和副交感神經(jīng)系統(tǒng)活性,間接參與心臟自主神經(jīng)調(diào)控而發(fā)揮心血管保護(hù)作用[4-9]。

長鏈脂肪酸和SCFA 均可激活迷走傳入神經(jīng)纖維,但其具體作用機(jī)制不同。Lal等[4]將雄性Wistar大鼠分為對照組、膽囊收縮素A(CCK-A)受體阻斷劑組和膈下迷走神經(jīng)離斷組,依次記錄大鼠在1 m L生理鹽水、油酸鈉和丁酸鈉(均為10 mmol/L)腔內(nèi)灌注過程中腸迷走傳入神經(jīng)的放電情況,較生理鹽水灌注而言,油酸鈉(143%±13%vs 114%±5%,P＜0.05)或丁酸鈉(524%±144%vs 114%±5%,P＜0.05)灌注均可明顯增加腸迷走傳入神經(jīng)放電;此外較生理鹽水灌注而言,油酸鈉的神經(jīng)激活效應(yīng)可被CCK-A 受體阻斷劑或膈下迷走神經(jīng)離斷所阻斷(CCK-A 阻斷劑:111%±4%vs 110%±2%,P＞0.05;膈下迷走神經(jīng)離斷:102%±9%vs 108%±6%,P＞0.05),但丁酸鈉的神經(jīng)激活效應(yīng)在CCK-A 阻斷劑或鈣通道拮抗劑(L 型、N 型和P/Q 型拮抗劑,與腸道平滑肌活動和腸道神經(jīng)遞質(zhì)釋放相關(guān))預(yù)處理腸腔后仍存在(CCK-A 阻斷劑:337%±67%vs 110%±2%,P＜0.05;鈣通道拮抗劑:189%±22%vs 109%±5%,P＜0.05),其神經(jīng)激活效應(yīng)可被膈下迷走神經(jīng)離斷所阻斷(102%±4% vs 108%±6%,P＞0.05)。Tolhurst等[10]添 加1 mmol/L乙酸鹽或丙酸鹽可增加野生型小鼠結(jié)腸組織中胰高血糖素樣肽1(GLP-1)水平(約增加60%),而小鼠GPR43敲除會降低其結(jié)腸組織中丙酸鹽誘導(dǎo)的GLP-1 增加(降低70%),對乙酸鹽的刺激則無反應(yīng)。Krieger等[11]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),較對照組而言,腹腔注射GLP-1(33μg/kg)可抑制雄性SD 大鼠的食物攝入(約降低1h食物攝入的60%)和胃排空速度(約降低20 min后對乙酰氨基酚血清濃度的43%),而敲除雙側(cè)迷走傳入神經(jīng)節(jié)(結(jié)狀神經(jīng)節(jié))中GLP-1受體可消除GLP-1對大鼠食物攝入和胃排空的抑制作用。據(jù)此筆者推測SCFA 如丁酸鹽對迷走傳入神經(jīng)有直接和間接雙重作用,其直接作用是直接刺激迷走傳入神經(jīng),間接作用是通過SCFA 受體增加GLP-1等胃腸激素的釋放以間接激活迷走傳入神經(jīng)。

SCFA 可快速并持久的激活迷走傳入神經(jīng),亦可改變宿主基因表達(dá)。Goswami等[12]腹腔分別注射3 種SCFA(6 mmol/kg)后10 min即可抑制禁食后雄性C57小鼠的食物攝入,其作用強(qiáng)弱分別為丁酸鹽＞丙酸鹽＞乙酸鹽,較生理鹽水腹腔注射后標(biāo)準(zhǔn)粉狀飲食CE-2的攝入相比,3種SCFA分別抑制其0.5 h CE-2攝入量的50%、40%和30%,而全身性辣椒素預(yù)處理或肝迷走神經(jīng)離斷術(shù)可通過中斷迷走傳入神經(jīng)以消除SCFA 對小鼠食物攝入的抑制作用。給予雄性SD 大鼠抗性淀粉飲食2周可增加腸腔內(nèi)丁酸鹽濃度[(46.2±7.7)μmol/g vs(20.1±4.5)μmol/g,P＜0.05],與常規(guī)飲食大鼠相比,抗性淀粉飲食增加大鼠腸道乙酰膽堿酯酶(Ch AT)陽性腸道神經(jīng)元比例(約增加35%),因此其神經(jīng)介導(dǎo)的結(jié)腸收縮反應(yīng)增強(qiáng);直接添加丁酸鹽(0.5 mmol/L)至大鼠原代腸神經(jīng)細(xì)胞中,可增加腸神經(jīng)元中組蛋白H3K9的乙酰化程度、Ch AT 的m RNA 水平以及Ch AT 陽性神經(jīng)元比例,而給予Src激酶抑制劑(PP2 或SU6656)可抑制原代腸神經(jīng)細(xì)胞的上述變化,推測丁酸鹽所介導(dǎo)的膽堿能神經(jīng)元增加可能與Src激酶信號通路和組蛋白H3K9的乙酰化相關(guān),提示SCFA 可影響宿主基因表達(dá)[5]。

外源性腸相關(guān)神經(jīng)元是由腸道相關(guān)的感覺傳入神經(jīng)和腸道自主神經(jīng)傳出神經(jīng)組成,主要包括結(jié)狀神經(jīng)節(jié)、背根神經(jīng)節(jié)以及腹腔-腸系膜上交感神經(jīng)神經(jīng)節(jié)(CG-SMG)[13]。Muller等[14]給予SPF級小鼠廣譜抗生素(飲用水中,2 周)或鏈霉素(單次20 mg,24 h)后,由腸道微生物群耗竭所致的SCFA 缺失可顯著增加CG-SMG 中c-fos陽性神經(jīng)元數(shù)目(提示腸道外交感活性增強(qiáng)),而經(jīng)口管飼含SCFA 的水溶液或三丁酸甘油酯(丁酸鹽前體物質(zhì))24 h即可抑制口服鏈霉素所致腸道微生物群耗竭后CG-SMG 中c-fos陽性神經(jīng)元數(shù)目的增加(提示其交感神經(jīng)活性被抑制),作者進(jìn)一步將表達(dá)紅色熒光蛋白的偽狂犬病病毒注射至小鼠的回結(jié)腸并結(jié)合腦干免疫熒光染色以逆向示蹤C(jī)G-SMG 上游的神經(jīng)核團(tuán)(即旁巨細(xì)胞外側(cè)核/頭端延髓腹外側(cè)區(qū)),并推測SCFA可能是通過腸道迷走傳入神經(jīng)纖維影響中樞的旁巨細(xì)胞外側(cè)核/頭端延髓腹外側(cè)區(qū),最終抑制CG-SMG 的活性。

心肌缺血會過度激活心臟交感神經(jīng)系統(tǒng),其中星狀神經(jīng)節(jié)(SCG)是心臟交感神經(jīng)通路的主要干線,室旁核(PVN)是重要的心臟交感神經(jīng)中樞核團(tuán)。Yu等[9]將雄性SD 大鼠分為假手術(shù)組,心肌缺血/再灌注(I/R)組,I/R＋丁酸鹽組,I/R＋丁酸鹽＋迷走神經(jīng)離斷組,發(fā)現(xiàn)連續(xù)飲用4周含丁酸鹽的飲用水(200 mmol/L)顯著抑制大鼠I/R 后心臟交感神經(jīng)活性的增加(表現(xiàn)為較I/R 組,其PVN 和SCG 中c-fos活性降低、血清去甲腎上腺素水平降低以及心率變異性中低頻成分和低頻/高頻成分比值降低)并顯著降低心肌組織丙二醛水平、超氧化物歧化酶活性以及凋亡相關(guān)蛋白Bax和Bcl-2的表達(dá);但膈下迷走神經(jīng)離斷將消除丁酸鹽對大鼠心肌I/R 后交感神經(jīng)元活性、氧化應(yīng)激和凋亡等病理生理機(jī)制的影響,提示丁酸鹽可能激活腸迷走傳入神經(jīng)并經(jīng)腸-腦神經(jīng)通路以減少心臟交感神經(jīng)活性、氧化應(yīng)激以及凋亡,發(fā)揮預(yù)防心肌I/R 后損傷的作用。張蓉等[15]進(jìn)一步將雄性SD 大鼠分為假手術(shù)組、I/R 組、I/R＋丁酸鈉組和I/R＋丁酸鈉＋迷走神經(jīng)離斷組,在大鼠I/R 后給予2 m L 丁酸鈉(17.5 mg/kg)灌胃,觀察其I/R 后24 h的相關(guān)指標(biāo),發(fā)現(xiàn)丁酸鈉可降低大鼠I/R 后24 h的血清去甲腎上腺素水平[(1.1±0.1)ng/m L vs(2.0±0.2)ng/m L,P＜0.05]、心率變異性中低頻成分以及低頻/高頻成分比值[低頻成分(nu):(3.8±2.1)vs(16.9±2.8);低頻/高頻成分:(0.05±0.03)vs(0.25±0.05)]和梗死面積(11.2%±2.2%vs 31.3%±7.6%),而迷走神經(jīng)離斷可消除上述丁酸鈉的治療作用。Onyszkiewicz等[16]靜脈注射1.4 mmol/kg丁酸鹽至麻醉的雄性Wistar大鼠,可使其平均動脈壓(MAP)顯著降低(約降低25 mm Hg,30 min恢復(fù)基線水平),但大鼠心率未受影響;結(jié)腸直接給予5.6 mmol/kg丁酸鹽可產(chǎn)生更持久的血壓和心率下降(MAP 約降低20 mm Hg,心率約降低40次/分,90 min仍無恢復(fù)趨勢),而膈下迷走神經(jīng)離斷或非特異性GPR41/GPR43拮抗劑預(yù)處理結(jié)腸后,結(jié)腸丁酸鹽的降壓和降心率作用顯著減弱,因此推測腸道內(nèi)的丁酸鹽可通過GPR41/GPR43受體興奮迷走傳入神經(jīng)纖維,發(fā)揮降低血壓和心率的作用。Zhou等[8]將雄性SD 大鼠分為假手術(shù)組,假手術(shù)＋丙酸鹽組,心肌梗死組和心肌梗死＋丙酸鹽組,發(fā)現(xiàn)心肌梗死后持續(xù)飲用含丙酸鹽(200 mmol/L)的飲用水4周可顯著增加慢性心肌梗死大鼠結(jié)狀神經(jīng)節(jié)(迷走傳入神經(jīng)節(jié))和孤束核(迷走神經(jīng)中樞核團(tuán))中c-fos的表達(dá),并增加血清中乙酰膽堿水平[(201.9±24.4)pg/m L vs(121.4±13.0)pg/m L]和升高心率變異性指標(biāo)中高頻成分(反映迷走傳出神經(jīng)活性),繼而改善心肌梗死大鼠心室復(fù)極化離散度[有效不應(yīng)期離散度:7.1%±3.7%vs 25.1%±7.3%,P＜0.05;Tp-Te間期:(37.2±3.1)ms vs(46.9±2.7)ms,P＜0.05]和梗死周邊區(qū)域縫隙連接蛋白43的側(cè)邊化(12.5%±2.1%vs 23.3%±3.6%,P＜0.05),最終降低心肌梗死大鼠室性心律失常誘發(fā)率(心室顫動誘發(fā)率:20%vs 56%),提示口服丙酸鹽作為一種營養(yǎng)干預(yù)措施,可通過腸-腦軸以激活副交感神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮心血管保護(hù)作用。

2 循環(huán)SCFA對心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)的直接作用

心血管疾病中腸道微生物穩(wěn)態(tài)的破壞以及腸道屏障完整性的降低可導(dǎo)致血液SCFA 濃度升高,以增強(qiáng)SCFA 對心臟自主神經(jīng)的直接作用[17-18]。GPR41在自主神經(jīng)節(jié)(交感神經(jīng)節(jié)、椎前神經(jīng)節(jié)和迷走神經(jīng)節(jié))、軀體感覺神經(jīng)節(jié)(脊髓背根和三叉神經(jīng)節(jié))乃至門靜脈血管上廣泛表達(dá),SCFA 可直接作用于GPR41 受體以影響機(jī)體的自主神經(jīng)功能[19]。由于自主神經(jīng)分布廣泛,各個器官之間亦相互影響,故循環(huán)血液中SCFA 對心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)的效應(yīng)是綜合且復(fù)雜的。

Kimura等[6]腹腔注射丙酸鹽(1 g/kg)至野生型和GPR43敲除小鼠中,可致野生型小鼠心率顯著增加(15 min約升高35次/分),腹腔注射β受體阻滯劑普萘洛爾(4 mg/kg)可抑制上述反應(yīng),但丙酸鹽未能改變GPR41敲除小鼠的心率;丙酸鹽(10 mmol/L)可直接誘發(fā)小鼠離體SCG 神經(jīng)元的細(xì)胞外動作電位并增加與SCG 神經(jīng)元共培養(yǎng)的心肌細(xì)胞搏動率,而敲除GPR41基因、使用Gβγ阻滯劑(Gallein)、siRNA 基因沉默PLCβ或ERK1/2均可抑制上述丙酸鹽所致的現(xiàn)象,證實(shí)循環(huán)中的丙酸鹽可通過GPR41受體在交感神經(jīng)節(jié)水平激活心臟交感神經(jīng)活性,而該效應(yīng)與SCG 中Gβγ-PLCβ-MAPK 信號通路相關(guān)。Poll等[20]使用無線電遙測技術(shù)持續(xù)記錄C57小鼠清醒狀態(tài)下的右側(cè)頸動脈血壓和心率,作者腹腔注射1 g/kg的乙酸鹽可顯著升高小鼠血漿乙酸鹽水平[注射15 min后:(14.9±1.8)mmol/L vs(0.16±0.03)mmol/L],并在注射3～5 min后使其MAP[最低下降(52.2±12.1)mm Hg,較基線降低44%]和心率[最低下降(252.8±54.3)次/分,較基線約降低37%]顯著降低;提前腹腔注射選擇性β1受體阻滯劑阿替洛爾(2 mg/kg)10 min后再行腹腔注射乙酸鹽,較僅注射乙酸鹽,小鼠的MAP 下降水平相似[(63.3±15.6)mm Hg vs(52.2±12.1)mm Hg,P＞0.05]而心率下降水平明顯減弱[(158.3±41.6)次/分vs(252.8±54.3)次/分,P＜0.05];為明確乙酸鹽的直接心臟效應(yīng),作者使用乙酸鹽(10 mmol/L)和生理鹽水持續(xù)灌注離體心臟,與鹽水灌注相比,持續(xù)灌注乙酸鹽10 min后其心率無顯著差異[(314±26)次/分vs(341±57)次/分,P＞0.05],灌注30 min 后心率方顯著降低[(275±21)次/分vs(354±39)次/分,次/分,P＜0.05,較基線下降22%]。Jiang等[21]將雄性SD 大鼠分為假手術(shù)組,心肌梗死組和心肌梗死＋丁酸鹽組,于大鼠冠狀動脈結(jié)扎后每日腹腔注射丁酸鹽(1 mol/L),發(fā)現(xiàn)丁酸鹽可抑制心肌梗死大鼠梗死周邊區(qū)TNFα、IL-1β和IL-10等炎癥因子水平,促進(jìn)M2巨噬細(xì)胞極化,降低梗死周邊區(qū)去甲腎上腺素、生長相關(guān)蛋白43和酪氨酸羥化酶等交感神經(jīng)重構(gòu)指標(biāo),并降低PR 間期、QJ間期和室性心律失常誘發(fā)率(18.2%vs 75.0%,P＜0.05)。

丁酸鹽可穿過血腦屏障而直接作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng),Xu等[22]腹腔注射丁酸鈉(2.5 g/kg)至C57小鼠后,發(fā)現(xiàn)小鼠腦組織丁酸鹽水平顯著升高(10 min達(dá)到峰值5μmol/g,半衰期120 min),而其腦內(nèi)γ氨基丁酸和谷氨酸等神經(jīng)遞質(zhì)水平顯著降低。Yang等[23]觀察側(cè)腦室直接注射丁酸鹽對Wistar-Kyoto大鼠血壓的影響,發(fā)現(xiàn)注射1μL 丁酸鹽(1 mmol/L)后400 s大鼠血壓下降(7.56±2.13)mm Hg,注射后1000 s血壓降低(20.02±1.05)mm Hg;進(jìn)一步的功能性磁共振成像發(fā)現(xiàn)側(cè)腦室注射丁酸鹽主要影響下丘腦和腦干等心血管中樞。但既往研究也發(fā)現(xiàn)單側(cè)杏仁核顯微注射乙酸鹽(0.20μmol/100nl)顯著增加雄性SD 大鼠麻醉狀態(tài)下內(nèi)臟交感神經(jīng)放電(增加72%±13%)、腰交感神經(jīng)放電(增加62%±12%)和MAP[增加(5±2)mm Hg],而N-甲基-D-天門冬胺酸受體拮抗劑可抑制乙酸鹽的上述反應(yīng),作者推測因乙酸鹽與谷氨酸羧基末端具有結(jié)構(gòu)同源性,故其可通過局部的N-甲基-D-天門冬胺酸受體激活交感神經(jīng)[24]。

3 展望

過去幾十年里,微生物組學(xué)研究發(fā)展迅速,成為臨床前和臨床研究的熱點(diǎn)話題。在高通量測序等技術(shù)的幫助下,宿主-微生物的相互作用不斷被發(fā)現(xiàn),并明確腸道微生物是影響哺乳動物生理、病理的重要因素之一。腸道微生物穩(wěn)態(tài)失衡可致其代謝物在胃腸道、血漿和大腦中發(fā)生濃度和成分的變化,其中SCFA 作為重要的生理調(diào)節(jié)劑。高血壓、冠心病或心力衰竭等心血管疾病下宿主常伴隨腸道菌群失調(diào),可導(dǎo)致腸道SCFA 濃度減少及成分變化[25],而自主神經(jīng)將腸道菌群及其代謝產(chǎn)物變化與心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展聯(lián)系在一起。自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控宿主各個系統(tǒng)器官的生理功能和病理進(jìn)展,尤其在心血管疾病中有著重要的作用[26]。在正?；蚣膊∧Ｐ椭?研究腸道菌群代謝物SCFA 結(jié)合腸道等特定組織器官上的受體,探究其結(jié)合受體后對心臟自主神經(jīng)以及心血管疾病發(fā)生、發(fā)展的影響,可發(fā)現(xiàn)潛在的病理機(jī)制及新的干預(yù)靶點(diǎn)。攝入益生菌(雙歧桿菌或乳酸菌)、膳食纖維、口服補(bǔ)充各類SCFA、SCFA 前體物質(zhì)或菊粉丙酸酯(僅在菊粉被結(jié)腸微生物代謝后才會釋放與之結(jié)合的丙酸酯,以實(shí)現(xiàn)結(jié)腸的定向釋放)等措施,均是可廣泛普及且易開展的干預(yù)措施,也有待后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)更多的干預(yù)手段[27-28]。