短鏈脂肪酸在炎癥性腸病中的作用研究進展①

陳文軒 張 哲 孫亞星 劉 霞 王斌斌 馮百歲 （鄭州大學第二附屬醫(yī)院消化內科，鄭州 450014）

炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD）是一類慢性、復發(fā)性、非特異性腸道炎癥性疾病，主要包括潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis，UC）和克羅恩?。–rohn's disease，CD），其確切病因和發(fā)病機制至今不明，目前考慮其與腸道菌群改變導致腸黏膜異常、遺傳、環(huán)境等多因素相互作用相關。腸道菌群（gut flora，GF）在調節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)和IBD發(fā)病機制方面的作用已被廣泛證實，不僅能夠通過影響Th17/Treg平衡進而影響宿主腸道免疫功能，還能夠通過分泌代謝產物，如短鏈脂肪酸（short chain fatty acids， SCFAs）、色氨酸等，影響腸上皮細胞能量代謝及黏膜屏障［1-3］。作用機制研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs可通過調節(jié)腸道免疫細胞功能、調控細胞因子釋放、為腸道上皮細胞提供能量、維持腸道黏膜屏障功能等維持腸道穩(wěn)態(tài)，本文就SCFAs在IBD中的作用及機制進行綜述。

1 SCFAs概述

SCFAs是一類脂肪尾部由1～6個碳組成的羧酸，如甲酸（C1）、乙酸（C2）、丙酸（C3）、丁酸（C4）、戊酸（C5）、己酸（C6）等，腸道總濃度為0.5～0.6 mol/L，其中乙酸、丙酸和丁酸是腸道中最豐富的SCFAs（≥95%），摩爾比約為3∶1∶1，由盲腸和結腸內厭氧菌發(fā)酵不易被消化的膳食纖維（dietary fiber，DF）產生，是一類影響宿主免疫和能量狀態(tài)的細菌代謝物［4-6］。不易被消化的DF包括抗性淀粉、菊粉、燕麥麩、麥麩、纖維素、瓜爾膠和果膠［7］；厭氧菌擬桿菌門主要產生乙酸和丙酸，而厚壁菌門主要產生丁酸［8］。SCFAs主要通過被動擴散、與碳酸氫交換、轉運蛋白一元羧酸轉運蛋白1（monocarboxylate transporter 1，MCT1，由SLC16A1編碼）和鈉偶聯(lián)的一元羧酸轉運蛋白1（sodium coupled monocarboxylate transporter 1，SMCT1，由SLC5A8編碼）4種轉運機制被腸上皮細胞吸收，由腸系膜上靜脈和腸系膜下靜脈進入門靜脈。肝臟中，乙酸和丁酸是合成膽固醇和長鏈脂肪酸的底物，丙酸通過三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA）轉化為葡萄糖［9-10］。此外，SCFAs也可直接通過下腔靜脈進入體循環(huán)，對消化系統(tǒng)以外的組織/器官，如肺、腎臟和大腦等發(fā)揮重要作用［11-13］。

2 SCFAs介導的信號傳導

SCFAs主要通過G蛋白偶聯(lián)受體（G protein coupled receptors，GPCRs）激活途徑和組蛋白脫乙?；福╤istone deacetylases，HDACs）抑制途徑兩條信號通路調節(jié)腸道、神經(jīng)、內分泌、血液等不同系統(tǒng)功能，是調節(jié)代謝紊亂、調控機體免疫、維持腸道黏膜屏障穩(wěn)態(tài)的關鍵因素［14］。

2.1 GPCRs激活途徑 GPCRs也稱游離脂肪酸受體（free fatty acid receptors，F(xiàn)FARs），在結構上為單體蛋白，氨基端位于細胞膜外表面，羧基端位于細胞內側，其肽鏈反復跨膜7次，在膜外側和膜內側形成幾個環(huán)狀結構，構成細胞外環(huán)和細胞內環(huán)，分別接受細胞外刺激和調控細胞內信號傳導。已發(fā)現(xiàn)的GPCRs有GPR41（FFAR3）、GPR43（FFAR2）、GPR109受體，在多種細胞上均有表達［15］。SCFAs通過激活GPCRs進一步激活異源三聚體的Gα亞基（主要負責與GPCRs受體結合）從Gβγ亞基分離，通過Gα亞基（主要包括Gαi/o和Gαq/11）調節(jié)細胞內多種信號傳導［16］。通過激活Gαi/o抑制腺苷酸環(huán)化酶（adenyl cyclase，AC）活性，從而導致環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）生成減少；通過激活Gαq/11激活磷脂酶C（phospholipase，PLC）促進內質網(wǎng)上的肌醇三磷酸（inositol triphosphate-3，IP3）受體激活，并導致內質網(wǎng)釋放Ca2+；Gβγ亞基 也可觸發(fā)各種下游信號通路（如AC、IP3）及激活ERK/Atf2、Stat3、Stat5和mTOR等關鍵信號分子［17-18］。β-arrestin2（β-Arr2）作為一種支架蛋白，是G蛋白信號的負調控因子，通過G蛋白脫敏GPCR信號誘導GPCRs內吞［19］。

2.2 HDACs抑制途徑 HDACs是一種參與修飾染色體結構和調控基因表達的蛋白，水解蛋白質底物賴氨酸殘基上的N-乙?；绕涫侨旧|核小體復合體組蛋白中乙?；膫孺溬嚢彼?，抑制組蛋白乙酰化，抑制核染色質結構開放，沉默DNA［20］。作為基因激活調控的一部分，組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferases，HATs，HDACs抑制劑）乙?；M蛋白可增強染色質可及性，促進核易位和轉錄因子如STAT3、NF-κB、FoxP3、N-FAT和RUNX1與DNA結合，調控基因表達，而HDACs則逆轉這一過程［21］。正常情況下，二者平衡存在，引起DNA表達多樣性，在細胞和系統(tǒng)水平產生多方面影響；二者失衡可能導致NF-κB和AP-1調控的促炎反應基因持續(xù)轉錄，形成慢性炎癥循環(huán)。研究表明，丁酸（10 mmol/L）、丙酸（10 mmol/L）以及HDACs抑制劑TSA（2 μmol/L）在相同條件下處理HDACs，測定HDACs活性發(fā)現(xiàn)，TSA組活性降低至原始活性的1%以下，而丙酸組與丁酸組活性分別為10%和30%，說明SCFAs與TSA一樣對HDAC活性有抑制作用［22］。

3 SCFAs與腸道免疫細胞

SCFAs可通過調節(jié)幾乎所有類型免疫細胞功能調節(jié)腸道黏膜免疫。固有淋巴細胞（intrinsic lymphocytes，ILCs）是分布于黏膜的異質性淋巴細胞，接受局部微環(huán)境細胞因子信號后，通過分泌細胞因子及其他遞質發(fā)揮免疫監(jiān)視和免疫調節(jié)作用［23］。研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs通過激活GPR43進一步促進ILCs成熟及功能恢復［24］。GPR43在中性粒細胞中高表達，SCFAs通過激活GPR43進而抑制中性粒細胞向炎癥部位募集［25］。SCFAs可通過抑制HDAC活性抑制LPS誘導的巨噬細胞遷移、促炎細胞因子NO、IL-6和IL-12分泌［26］。丁酸鹽通過誘導Zn2+結合HDACs活性位點抑制HDACs，促進Foxp3啟動子和增強子保守非編碼序列（conserved non-coding sequences，CNSs）組蛋白H3乙酰化，促進基因表達和Treg功能成熟，增強抗炎作用［27］。SCFAs還通過抑制HDACs途徑上調Aicda、Xbp-1、Ada、CD69、Prdm1及Irak3基因表達，誘導B細胞分泌IgA［28-29］。

4 SCFAs與腸黏膜屏障功能

腸道黏液蛋白（mucus proteins，MUC）、抗菌肽（antimicrobial peptides，AMP）和IgA構成腸黏膜化學屏障，由腸壁細胞分泌并稀釋、水解有毒有害物質，防止機體損害［30］。研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs通過激活GPCRs促進MUC、AMP、IgA分泌，維持腸黏膜化學屏障，抵御病原體入侵［31］。腸上皮細胞中的claudin、occludin、ZO-1、ZO-2等多種連接蛋白形成上皮細胞緊密鏈接，構成上皮細胞機械屏障，其完整性在維持腸道平衡方面具有重要作用［32-33］。SCFAs通過激活AMPK、抑制MLCK/MLC2通路及PKCβ2磷酸化上調ZO-1、occludin、claudin-3和claudin-4表達［34］。低氧誘導因子1α（hypoxia inducible factor 1α，HIF-1α）是一種協(xié)調屏障保護因子，腸道上皮細胞吸收SCFAs需消耗腸道約70%氧氣，通過激活GPCRs上調Stat3和mTOR，促進和穩(wěn)定HIF-1α表達，進一步誘導Tr1分化，并通過TASK-2通道提高腸黏膜中B細胞對炎癥反應的靈敏性，維持腸黏膜免疫屏障穩(wěn)定性［35-37］。此外，SCFAs還可通過調節(jié)增殖基因（包括細胞周期蛋白家族）和凋亡基因（主要是caspase家族及p53、Bax和Bcl-2）調節(jié)腸上皮細胞（intestinal epithelial cell，IEC）增殖和凋亡［38］。

5 SCFAs對細胞因子的調節(jié)

急性炎癥導致腸道內免疫穩(wěn)態(tài)被打破后，促進多種細胞因子（如IL-6、IL-8、IL-17等）釋放，作用于效應細胞加重腸道炎癥。SCFAs通過抑制HDACs途徑或激活GPCR41/43途徑，抑制巨噬細胞NF-κB介導的促炎因子（如TNF-α、IL-6、IL-12）產生、下調誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）及血管細胞黏附分子-1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）和細胞內黏附分子-1（intracellular adhesion molecules，ICAM-1）等多種趨化因子基因編碼，促進腸道免疫細胞抗炎因子（如IL-10、IL-4）產生［39-40］。SCFAs通過刺激GPCRs誘導前列腺素E2釋放和抗炎因子IL-10表達，也可激活炎癥小體，促進IL-18產生和分泌［41］。另有研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs 通過HDACs抑制途徑增強組蛋白修飾，增加HIF-α與IL-22啟動子結合域的可能性，促進IL-22生成［42］。此外，SCFAs明顯上調IL-17A、IL-17F、RORα、RORγt、T-bet和IFN-γ表達［43］。

6 SCFAs與腸道細胞能量代謝

IEC能量平衡障礙是CD炎癥組織的典型特征。外來因素持續(xù)刺激IEC導致能量過度消耗或腸道本身能量供應減少是IEC維持能量穩(wěn)態(tài)失敗的主要原因。線粒體在維持IEC能量穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用［44］。SCFAs能明顯增加編碼線粒體ATP合成酶亞基和編碼線粒體解偶聯(lián)蛋白基因表達，維護線粒體功能［45］。丙酸可作為琥珀酰輔酶a進入三羧酸循環(huán)，乙酸和丁酸可作為乙酰輔酶a進入TCA，明顯提高細胞內ATP/ADP，為細胞供能［16，45］。此外，IBD患者和結腸炎小鼠中，轉運蛋白MCTs表達下調，導致IEC中SCFAs水平下降。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸可激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPAR-γ）功能，促進MCT-1和MCT-4等體內和體外轉運體表達，促進IEC吸收SCFAs，為IEC供能［46］。

7 展望

綜上，SCFAs在IBD中發(fā)揮重要作用。隨著國內學者對IBD研究增多，IBD治療藥物除糖皮質激素、氨基水楊酸制劑、免疫制劑、生物制劑外，腸道益生菌、SCFAs也用于臨床輔助治療。研究顯示，SCFAs可促進cAMP生成，或促進神經(jīng)遞質氨基丁酸（GABA）和NO通過腦-腸軸循環(huán)，從中樞調控腸道炎癥；SCFAs在機體能量代謝、神經(jīng)、內分泌中發(fā)揮重要作用，隨著IBD臨床治療越來越趨向個體化，這些思路為SCFAs研究提供了新方向。