短鏈脂肪酸與高血壓相關性的研究進展

姜哲 唐關敏 翟昌林 韓俊剛 潘海華

高血壓是心血管疾病的主要危險因素，全球每年約94 萬人因高血壓及其并發(fā)癥死亡[1]。高血壓的發(fā)病機制尚未清晰，目前病因機制包括腎臟水鹽重吸收改變、交感神經系統(tǒng)激活和炎癥反應等。不良生活方式與惡劣的環(huán)境因素已被證明能引起高血壓患病率增加。腸道菌群及其代謝產物，如短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）作為高血壓新的危險因素，越來越受到學者廣泛關注與研究。本文圍繞SCFA 概述、SCFA 與高血壓相關性和SCFA 影響血壓機制等方面對SCFA 與高血壓相關性研究進展作一綜述。

1 SCFA 概述

SCFA 是碳鏈中碳原子數(shù)＜6 個的脂肪酸，主要由乙酸、丙酸和丁酸構成，是腸道菌群的代謝產物之一。多項研究表明，糞便中SCFA 中乙酸鹽約占55%，丙酸鹽和丁酸鹽各占17%，異丁酸鹽、戊酸鹽、異戊酸鹽合占約11%。而血液中SCFA 以乙酸鹽為主約占94%，丙酸鹽和丁酸鹽各占約3%[2-3]。SCFA主要由腸道厭氧菌糖酵解抗性碳水化合物生成，擬桿菌屬主要生成乙酸鹽和丙酸鹽，厚壁菌屬主要生成丁酸鹽[4]。

糖酵解反應通常發(fā)生在右側結腸。在此處糞便中，乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽的水平高達約130 mmol/kg，末段結腸水平約80 mmol/kg，小腸水平約為15 mmol/kg。大多數(shù)SCFA 通過糞便排出體外，剩余SCFA 主要由腸道上皮細胞主動吸收并為其提供能量來源，少部分SCFA 通過被動擴散釋放入血，外周血中乙酸鹽水平為20～150 μmmol/L，丙酸鹽為1～13 μmmol/L，丁酸鹽為1～12 μmmol/L[5-6]。盡管水平很低，但其參與重要生理病理過程。在血液循環(huán)中，乙酸鹽常供一些組織代謝，同時也是膽固醇合成的底物。丙酸鹽被肝臟攝取后可轉化為糖異生、脂肪合成和蛋白質合成的前體。丁酸鹽在很大程度上是腸道黏膜的能量來源，并且通過抗炎反應維持腸道內穩(wěn)態(tài)[7]。此外，SCFA 也是天然組蛋白去乙?；敢种苿5]，其能高效促進蛋白乙?；?，進而影響蛋白質功能[8]。

2 SCFA 與高血壓的相關性

2.1 糞便SCFA 與高血壓 有學者發(fā)現(xiàn)與正常血壓者比較，高血壓患者糞便中乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽水平較高[9-10]。同時，Huart 等[11]也發(fā)現(xiàn)，男性高血壓患者糞便乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽水平更高，并且與有無接受治療無關。同樣，Verhaar 等[12]研究表明，在血壓更高的患者中，糞便SCFA 水平更高。同時研究者在較低血壓者糞便中發(fā)現(xiàn)生成SCFA 的菌群豐度更高。Nakai 等[3]研究表明，高血壓患者與正常血壓者糞便總SCFA 水平比較，差異無統(tǒng)計學意義。但是，Chang 等[13]研究表明，子癇前期患者糞便中丁酸鹽和戊酸鹽水平明顯低于正常血壓者。一項對SPIRIT 研究的二次分析表明，121 例成年肥胖癌癥患者糞便丁酸鹽水平與血壓呈負相關[14]。上述結果表明，糞便SCFA 水平似乎與血壓水平呈正相關。而在較低血壓者糞便中，SCFA 的菌群豐度卻很高，菌群豐度越高，SCFA 生成越多，這與較低血壓者應表現(xiàn)出低糞便SCFA 水平的推導相矛盾。原因可能為糞便SCFA 水平系指腸道菌群產生SCFA 后扣除腸道上皮細胞吸收后的水平。研究表明，與高糞便乙酸鹽水平患者比較，低糞便乙酸鹽水平患者的腸道上皮細胞吸收能力更高[12]。因此，盡管生成SCFA 的腸道菌群豐度高，但豐度增高可能會增強腸道上皮細胞對SCFA 吸收，從而降低糞便SCFA 水平。與正常血壓者比較，高血壓患者糞便SCFA 水平增加，可能是高血壓患者對SCFA 吸收減少所致[15]。而在子癇前期和癌癥患者中，糞便SCFA 水平與普通高血壓患者結果恰好相反，可能是妊娠、癌癥狀態(tài)影響SCFA 吸收所致，仍需進一步研究證實。

2.2 血漿SCFA 與高血壓 研究表明血液循環(huán)中SCFA 水平能更好反映機體對SCFA 吸收情況[9]。與血壓正常人群比較，高血壓患者血漿乙酸鹽和丁酸鹽水平明顯更低，而糞便乙酸鹽和丁酸鹽水平更高[10，16]。相反，Nakai 等[3]研究表明，與正常血壓者比較，高血壓患者具有更高的血漿總SCFA 水平。上述比較高血壓患者與正常血壓者血漿SCFA 水平的研究結果截然相反，由此說明需開展更大樣本量的研究分析血漿SCFA 水平與高血壓的相關性。

2.3 高血壓調節(jié)與SCFA 一項關于坎地沙坦對自發(fā)性高血壓小鼠影響的研究表明，補充坎地沙坦的自發(fā)性高血壓小鼠與對照組小鼠相比，糞便乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽水平顯著增加[17]。Chen 等[18]發(fā)現(xiàn)，讓未接受治療的高血壓患者每天攝入鹽分＜2 g 并持續(xù)6 周，患者血漿SCFA 水平顯著增加。但截至目前，鮮有其他降壓干預措施對SCFA 水平影響的相關研究。

2.4 補充SCFA 與高血壓 研究表明，向血管緊張素Ⅱ（angiotensinⅡ，AngⅡ）灌注的敲除載脂蛋白E基因的野生型小鼠補充丙酸鹽能改善其心肌肥厚、纖維化和血管功能紊亂水平[19]。補充丁酸鹽對自發(fā)性高血壓大鼠、AngⅡ灌注SD 大鼠、AngⅡ灌注小鼠、脂多糖誘導的妊娠期高血壓SD 大鼠以及正常血壓Wistar 大鼠均有降壓效用[20-22]。早期研究表明，快速補充SCFA 能引起狗、Wistar 大鼠動脈和人類結腸動脈血管舒張[15]。近期研究表明，對小鼠快速補充丙酸鹽能通過G 蛋白偶聯(lián)受體（G-protein coupled receptor，Gpr）41 信號通路引起劑量依賴性的血壓下降，1～2 min 后血壓降低約20 mmHg （1 mmHg=0.133 kPa），約5 min 內血壓恢復[23]。此外，給C57BL/6 小鼠快速補充乙酸鹽能降低心率和平均動脈壓[24]。同樣，給高血壓小鼠緩慢補充SCFA（包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽）均能降低血壓[16，19，25]，其中乙酸鹽降壓作用最強。在給去氧皮質酮鹽性C57BL/6高血壓小鼠補充乙酸鹽6 周后，小鼠收縮壓降為（85±9）mmHg，舒張壓降為（54±8）mmHg，而未補充乙酸鹽對照組小鼠收縮壓為（116±19）mmHg，舒張壓為（75±5）mmHg[25]。此外，一項給C57BL/6J 高血壓小鼠補充SCFA 的研究表明，在缺乏其他益生元情況下，通過含SCFA 的飲用水補充乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽均對血壓和心臟重塑有保護作用[26]。

2.5 補充生成SCFA 的益生菌與高血壓 補充能生成SCFA 的乳桿菌能降低高鹽膳食喂養(yǎng)的高血壓小鼠以及人類的血壓水平[27]。Ganesh 等[28]同時給阻塞性呼吸暫停綜合征所誘導的高血壓小鼠與對照組小鼠補充丁酸梭菌C（一種能生成乙酸鹽和丁酸鹽的益生菌）2 周后，發(fā)現(xiàn)高血壓小鼠收縮壓顯著下降，而對照組小鼠血壓無明顯變化。目前鮮有關于補充生成SCFA 的益生菌對高血壓患者血壓影響的研究。

3 SCFA 影響血壓機制

研究表明，SCFA 通過G 蛋白偶聯(lián)受體、免疫學、腸-腦軸、腸-腎軸、基因轉錄等機制發(fā)揮降血壓作用。

3.1 Gpr、嗅覺受體78（olfactory receptor 78，Olfr 78） 機制 SCFA 能與Gpr41、Gpr43、Gpr 109a 和Olfr 78 結合[29]。雖然上述受體在腎臟、動脈、心臟和其他與心血管疾病直接相關組織中表達較少，但在免疫組織（如脾臟、闌尾和骨髓）、免疫細胞（包括T細胞、B 細胞和固有淋巴細胞）及下消化道中高度表達[5，26，30]。Gpr41 是由SCFA 激活的Gαi 結合受體，主要在血管內皮細胞和自主神經結表達，由乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽激活，能抑制環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）生成，增加細胞內鈣離子水平，從而促進ERK1/2 磷酸化[31]。Natarajan 等[32]研究表明，敲除Gpr41 基因的C57BL/6 高血壓小鼠與野生型小鼠相比，具有更高收縮壓水平和更低血管順應性水平，這提示Gpr41 受體在調節(jié)基礎血管緊張度上發(fā)揮重要作用。與Gpr41 相似，Gpr43 也在血管中表達，由乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽激活，除了與Gi 蛋白偶聯(lián)外，還能與Gq 蛋白偶聯(lián)，從而抑制cAMP，使細胞內鈣離子增加，促進ERK1/2 磷酸化。Gpr109a 主要在延髓頭端腹外側表達，主要受丁酸鹽激活，Gpr109a 通過作用于血壓中樞直接影響血壓調節(jié)。此外Gpr109a 能激活Gi 蛋白從而降低細胞內cAMP 水平[31]。研究發(fā)現(xiàn)，分別敲除Gpr41、Gpr43和Gpr43/109a 基因的C57BL/6J 高血壓小鼠舒張末壓力高于C57BL/6J 高血壓小鼠，且同時敲除Gpr43/109a 基因小鼠比單獨敲除一種Gpr 基因小鼠呈現(xiàn)出更嚴重表型[26]。上述結果進一步支持激活Gpr41、Gpr43 和Gpr109a 具有降壓作用，僅敲除其中一個受體基因可能因其他受體代償作用而呈現(xiàn)較輕表型[33]。

嗅覺受體是鼻中的化學感受器，在大量組織中表達并發(fā)揮生理病理作用[34]。其中，Olfr78 是由乙酸鹽和丙酸鹽激活的G 蛋白偶聯(lián)受體。Olfr78 在結腸內分泌細胞、自主神經節(jié)、頸動脈體、血管平滑肌和腎球旁器表達[23，35]。Pluznick 等[23]研究表明，在敲除Olfr78 基因和離體情況下，給小鼠迅速補充丙酸鹽后小鼠血壓迅速下降，可能是因為敲除Olfr78 基因后小鼠缺乏從球旁器中釋放腎素的能力，繼而表現(xiàn)出腎素反應消失，引起血壓下降，這也印證了Olfr78具有升血壓和對抗丙酸鹽降低血壓效應的作用。Poll 等[24]研究表明，Olfr78 基因敲除小鼠腎素水平低于對照組野生型小鼠，進一步支持Olfr78 能通過調節(jié)腎素發(fā)揮作用的假說，而Olfr78 基因敲除小鼠與野生型小鼠平均動脈壓、收縮壓或舒張壓比較，差異無統(tǒng)計學意義，這表明Olfr78 在慢性血壓維持方面發(fā)揮極小作用，其對血壓調節(jié)作用可能僅在應激情況下產生。

3.2 免疫學機制 高血壓患者血液中有更高白介素（interleukin，IL）-6、IL-8 和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）水平[26]。離體研究表明，SCFA 能通過激活上皮細胞Gpr43 和Gpr109a影響炎癥因子表達。同時在腸道中，SCFA 能抑制局部炎癥因子IL-17a、IL-6 和TNF-α 表達，一定程度上改善了高血壓慢性炎癥反應[26]。此外，效應T 細胞、輔助性T 細胞（helper T cell，Th）、調節(jié)性T 細胞（regulatory T cell，Treg）對高血壓發(fā)生、發(fā)展均有重要作用。

效應記憶T 細胞與高血壓慢性炎癥反應相關。研究表明，在主動免疫反應狀態(tài)下，SCFA 促進效應T 細胞生成，同時能增加CD8+T 細胞的細胞毒性及生成IL-17 能力。而在生理狀態(tài)下，SCFA 通過增加IL-10 生成，促進機體對效應T 細胞免疫耐受[36]。因此，SCFA 能對高血壓慢性炎癥反應產生抑制作用。

Th17 和Th1 分別釋放炎癥因子IL-17a 和干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ）進而促進高血壓及其靶器官損傷發(fā)生發(fā)展[19]。Bartolomaeus 等[19]發(fā)現(xiàn)，向野生型小鼠脾臟中灌注AngⅡ，AngⅡ能使CD4+效應記憶T 細胞（CD44+CD62-）水平增加而CD4+初始T細胞（CD44-CD62+）水平降低。研究者同時為脾臟灌注AngⅡ的野生型小鼠補充丙酸鹽后發(fā)現(xiàn)，丙酸鹽能防止脾臟效應記憶T 細胞增加和初始T 細胞減少。進一步分析脾臟Th17 細胞，研究者發(fā)現(xiàn)Ang Ⅱ可引起小鼠脾臟CD4+IL-17A+10-和CD4+RORγt+Foxp3-數(shù)量增加，而同時補充丙酸鹽并不會引起Th17 數(shù)量增加。這表明丙酸鹽能通過抑制效應T 細胞和Th17 細胞數(shù)的增加，從而減少IL-17a 分泌，改善炎癥反應。

Treg 可通過分泌IL-10 產生抗炎效應，從而緩解高血壓進展[19]。Treg 包括FoxP3+T 細胞和FoxP3-T細胞。研究表明，SCFA 能使原始T 細胞分化為Treg并通過Gpr43 增加Foxp3 表達，從而增加FoxP3+T細胞活性和IL-10 生成。上述SCFA 增加FoxP3+T細胞活性和IL-10 生成的機制為SCFA 通過抑制HDAC 增加組蛋白乙?；?，從而調節(jié)FoxP3 和IL-10基因表達[5]。發(fā)揮降壓特性也可能因為SCFA 在腸道上皮細胞固有層與Gpr43 結合后，引起T 細胞極化并轉變?yōu)門reg，之后Treg 遷移并積聚于腎皮質中而產生效能[37]。Kaye 等[26]研究表明，補充乙酸鹽能顯著增加小鼠脾臟內激活的Treg（CD4+CD25+Foxp3+）數(shù)量。此外，與Treg 功能相關基因中，甲基化區(qū)域比例有不同程度增加，補充乙酸鹽能改變Treg 激活區(qū)域中DNA 甲基化水平，表明SCFA 能調節(jié)T 細胞功能基因甲基化從而激活Treg。然而，Gill 等[38]發(fā)現(xiàn)，短期增加全身乙酸鹽和丙酸鹽水平并未改變小鼠Treg水平。

3.3 腸-腦軸機制 腸-腦軸是一個能維持機體內環(huán)境穩(wěn)定的神經-體液系統(tǒng)，包括腸道菌群、腸道神經系統(tǒng)、中樞神經系統(tǒng)和自主神經系統(tǒng)及其相關的交感、副交感神經分支[39]。交感神經節(jié)與副交感神經節(jié)均表達SCFA 受體，如Olfr78、Gpr41 和Gpr43。SCFA 能與交感神經節(jié)受體結合從而調節(jié)交感神經系統(tǒng)。同時，SCFA 也能通過作用副交感神經節(jié)受體影響腸道神經反饋[40]。Lal 等[41]報道，SCFA 可通過腸道黏膜上皮細胞固有層神經末梢直接激活迷走神經傳入神經纖維，影響血壓調節(jié)。此外，Goswami 等[42]進一步發(fā)現(xiàn)，SCFA 能通過增加迷走神經傳入神經磷酸化發(fā)揮降壓作用，降壓效應表現(xiàn)為丁酸鹽＞丙酸鹽＞乙酸鹽。Onyszkiewicz 等[22]發(fā)現(xiàn)在Wistar 大鼠結腸直接補充丁酸鹽能產生降壓作用，而對其行膈下迷走神經切斷術后，降壓效應減弱。這表明丁酸鹽可能通過刺激迷走神經傳入神經發(fā)揮降壓作用。此外，在自發(fā)性高血壓小鼠中，對心臟神經節(jié)前神經元長期刺激能降低血壓，而對迷走神經短期刺激能改善鹽敏感性高血壓大鼠預后[43]。同時，SCFA 也可通過Gpr41 直接對交感神經系統(tǒng)產生調節(jié)作用[44]。SCFA 也能直接影響大腦生理功能。乙酸鹽存在于腦脊液中，能抵達腦組織并直接觸發(fā)副交感神經系統(tǒng)，從而調節(jié)血壓[45]。此外，丁酸能通過特定轉運體穿過血腦屏障，直接作用于中樞神經系統(tǒng)從而調節(jié)血壓[46]。室旁核表達SCFA 受體，向側腦室注射丁酸鹽能顯著降低自發(fā)性高血壓小鼠和對照組小鼠血壓水平[47]。

3.4 腸- 腎軸機制 在腎臟中乙酸鹽能調節(jié)IgA合成、抑制IL-1 釋放和抑制腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)激活。Marzocco 等[48]發(fā)現(xiàn)，給腎臟病患者補充丙酸鹽能降低其約10%的收縮壓，而舒張壓無明顯改變。此外，補充丁酸鹽能通過保護腎小球基底膜足突細胞，改善蛋白尿與降低血壓，同時能減少腎小球硬化與組織炎癥反應。上述腎保護作用均依賴于腎臟Gpr109a 表達水平[49]。

3.5 基因轉錄相關機制 SCFA 能通過調節(jié)高血壓相關基因轉錄，防止高血壓發(fā)生、發(fā)展。Marques 等[25]發(fā)現(xiàn)，給小鼠補充乙酸鹽能影響Rasal1（腎纖維化相關基因）、Cck（抗炎相關基因）以及腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)相關基因表達。此外，SCFA 還能促進血壓調節(jié)蛋白（如心房利鈉肽和腦鈉肽）基因表達[50]。

4 總結與展望

綜上所述，雖然SCFA 與高血壓可能相關，但其因果關系仍無法確定，因為高血壓本身可能誘導腸道菌群改變，使其代謝產物水平（包括SCFA）發(fā)生改變，而這些改變反過來可能進一步驅動高血壓的發(fā)生、發(fā)展。目前動物研究表明，補充SCFA 有降壓作用，而臨床研究多停留在高血壓患者糞便或血液SCFA 分布情況，鮮有補充SCFA 對高血壓患者血壓影響的研究。此外，SCFA 對血壓的影響機制尚未清晰，還需進行更深入研究。